univerza v mariboru - core.ac.uk · ključne besede: črpalka, asinhronski elektromotor,...
Post on 08-Feb-2019
227 Views
Preview:
TRANSCRIPT
UNIVERZA V MARIBORU
FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
Borut PRICA
MERILNA PROGA S FREKVENČNO
REGULIRANIM ELEKTROMOTORJEM ZA
ČRPALNE SISTEME
Diplomsko delo
visokošolskega strokovnega študijskega programa 1. stopnje
Strojništvo
Maribor, april 2013
- II -
MERILNA PROGA S FREKVENČNO
REGULIRANIM ELEKTROMOTORJEM ZA
ČRPALNE SISTEME
Diplomsko delo
Študent: Borut PRICA
Študijski program: Visokošolski strokovni študijski program 1. stopnje
Strojništvo
Smer: Energetsko, procesno in okoljsko strojništvo
Mentor: doc. dr. Mitja KASTREVC
Somentor: doc. dr. Ignacijo BILUŠ
Maribor, april 2013
- III -
- IV -
I Z J A V A
Podpisani Borut Prica izjavljam, da:
je bilo predloženo diplomsko delo opravljeno samostojno pod mentorstvom
doc. dr. Mitja Kastrevca in somentorstvom doc. dr. Ignacija Biluša,
predloženo diplomsko delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev
kakršnekoli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi,
soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet
Univerze v Mariboru.
Maribor, __________________ Podpis: __________________________
- V -
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju doc. dr. Mitji Kastrevcu in
somentorju doc. dr. Ignaciju Bilušu za pomoč in
vodenje pri opravljanju diplomskega dela.
Še posebej se zahvaljujem svoji družini za podporo,
razumevanje in spodbujanje v času študija.
- VI -
MERILNA PROGA S FREKVENČNO REGULIRANIM
ELEKTROMOTORJEM ZA ČRPALNE SISTEME
Ključne besede: črpalka, asinhronski elektromotor, frekvenčni pretvornik, frekvenčno
krmiljen asinhronski elektromotor, meritev karakteristik, ultrazvočni merilnik pretoka, črpalni
sistem, regulacija tlaka, hitrosti, pretoka in vrtilna frekvenca.
UDK: 621.52:534.63(043.2)
POVZETEK
V nalogi je raziskana možnost uporabe črpalnega sistema, ki mu je na pogonski strani dodan
frekvenčni pretvornik. Izgrajeno je preizkuševališče z možnostjo simulacije vklopa in izklopa
različnih uporabnikov. Izmerjene so bile karakteristične vrednosti sistema pri različnih
vrednostih vrtilne hitrosti pogonskega stroja in pri spreminjanju velikosti potrošnika. Meritve
so bile opravljene z uporabo klasičnih merilnikov tlaka in z zveznim merilnikom tlaka za
potrebe dinamičnih odzivov. Merjenje pretoka je bilo izvedeno z ultrazvočnim merilnikom
pretoka. Poleg statičnih karakteristik sistema so bile izvedene meritve z simulacijo
spremembe vodilne veličine in vklopa oziroma izklopa potrošnikov, kot motilne veličine.
Preizkušen je bil tudi sistem točkovnega nastavljanja želene veličine in s tem možnost
daljinskega diskretnega krmiljenja.
Naloga je pokazala, da sodobni pristopi uporabe frekvenčno reguliranih pogonov omogočajo
tudi delno obnovljenim obstoječim črpalnim sistemom dogradnjo in s tem izboljšanje
učinkovitosti sistema in energetskih prihrankov.
- VII -
MEASURING RIG FREQUENCY REGULATED ELECTRO MOTOR
FOR PUMPING SYSTEMS
Key words: pump, induction motor, frequency converter, frequency-controlled induction
motor, ultrasonic flow meter, measurement of characteristics, pumping system, pressure,
speed, flow and rotational frequency control.
UDK: 621.52:534.63(043.2)
ABSTRACT
Presented work shows possible usage of pump system with added frequency converter on
drive side. The experimental rig was built for simulation purpose due switching on/off users.
The characteristics values of system were obtained by different values of rotation speed of
electromotor drive with possibility of different consumers. For pressure measurement the
classical manometers and electronically manometers were used. For flow measurement an
ultrasonic flow meter was used. With classical measurement the measurement of simulated
reference values changes and on-off switching of consumers as disturbance value was
obtained. Also discrete switching system was tested due possible usage of discrete remote
control.
Work shows possibilities of renewed pump systems with added frequency controlled drive and
with this adaption effects in field of efficiency of the systems and possible energy savings.
- VIII -
KAZALO
1 UVOD ............................................................................................................................. 1
1.1 Opis splošnega področja diplomskega dela .................................................................... 1
1.2 Struktura diplomskega dela ............................................................................................ 2
2 OPREDELITEV CILJEV DIPLOMSKEGA DELA ................................................ 3
3 MATEMATIČNE OSNOVE ....................................................................................... 4
3.1 Matematični opis črpalnega dela in izračun izgub cevovoda ......................................... 4
3.1.1 Linijske izgube [19] ........................................................................................................ 5
3.1.2 Lokalne izgube [19] ........................................................................................................ 6
3.2 Izračun linijskih in lokalnih izgub .................................................................................. 7
3.3 Osnove za določitev pogonskega dela črpalnega agregata ............................................. 8
3.3.1 Osnove pogonske tehnike [6] ......................................................................................... 8
3.3.2 Pogonska moč črpalke [6] ............................................................................................ 10
3.3.3 Bremenske karakteristike pri spremenljivi vrtilni hitrosti [6] ...................................... 10
3.3.4 Asinhronski motor ........................................................................................................ 14
3.3.4.1 Delovanje asinhronega motorja ............................................................................... 17
3.3.4.2 Karakteristična krivulja asinhronskega elektromotorja ........................................... 18
3.3.4.3 Karakteristična preizkusa ......................................................................................... 19
3.3.4.3.1 Preizkus prostega teka [3] ........................................................................................ 19
3.3.4.3.2 Preizkus kratkega stika [3] ....................................................................................... 20
3.3.5 Dinamično obnašanje asinhronskega motorja – matematični model [4] ...................... 21
3.3.6 Močnostni del sistema – Frekvenčni pretvornik ........................................................... 25
3.3.6.1 Frekvenčni pretvornik SJ100 ................................................................................... 29
3.3.6.1.2 Priključitev črpalke in frekvenčnega pretvornika .................................................... 30
4 OPIS PREIZKUŠEVALIŠČA ................................................................................... 33
4.1 Opis merilne proge ....................................................................................................... 33
4.1.1 Hidravlični del - cevno omrežje in vgrajeni sestavni deli ............................................ 33
4.1.1.1 Sesalna stran merilne proge ..................................................................................... 35
4.1.1.2 Tlačna stran merilne proge ....................................................................................... 36
4.1.2 Pogonski del merilne proge .......................................................................................... 38
- IX -
4.1.2.1 Vertikalna večstopenjska črpalka Grundfus CR4-100 z vgrajenim asinhronskim
motorjem .................................................................................................................. 38
4.1.2.2 Pogonski sistem........................................................................................................ 41
4.1.3 Merilni del merilne proge ............................................................................................. 42
4.1.3.1 Ultrazvočni merilnik pretoka [18] ............................................................................ 42
4.1.3.2 Merilniki tlaka uporabljeni v merilni progi.............................................................. 43
4.1.3.3 Laserski merilnik vrtilne hitrosti .............................................................................. 45
5 MERITVE ................................................................................................................... 46
5.1 Izvedba statičnih meritev .............................................................................................. 46
5.2 Izvedba dinamičnih meritev ......................................................................................... 48
5.2.1 Sklop preizkusov I ........................................................................................................ 49
5.2.2 Sklop preizkusov II ....................................................................................................... 51
5.2.3 Sklop preizkusov III ..................................................................................................... 52
6 ZAKLJUČEK IN KOMENTAR ............................................................................... 54
7 VIRI IN LITERATURA ............................................................................................ 55
8 PRILOGE .................................................................................................................... 56
- X -
KAZALO SLIK
Slika 3.1: Tokovne razmere na vstopu v vodnik [19]................................................................. 5
Slika 3.2: Poenostavljen shematski prikaz cevnega omrežja z vejo A in vejo B ....................... 7
Slika 3.3: Blokovna shema elektromotorskega pogona [6] ........................................................ 9
Slika 3.4: Bremenske karakteristike delovnih strojev [6]......................................................... 11
Slika 3.5: Stator brez ohišja levo in v ohišju desno [14] .......................................................... 14
Slika 3.6: Rotor fiksiran na gred motorja [14] ......................................................................... 15
Slika 3.7: Kratkostična rotorska kletka [14] ............................................................................. 15
Slika 3.8: Prikaz faze navitja in število polov [14] .................................................................. 15
Slika 3.9: Sestavni deli asinhronskega elektromotorja MG 100 [15] ....................................... 16
Slika 3.10: Shematičen prikaz slipa [14] .................................................................................. 17
Slika 3.11: Primer diagrama odvisnosti vrtilne hitrosti in momenta kjer je: ............................ 18
Slika 3.12: Prikaz merilne vezave instrumentov [3]................................................................. 19
Slika 3.13: Prikazuje merilno vezavo pri preizkusu kratkega stika [3] .................................... 20
Slika 3.14: Prikaz merilne naprave vezava, originalna slika iz navodil SJ 100 [17] ............... 20
Slika 3.15: Blokovna shema simulacijskega modela asinhronskega motorja [4] .................... 21
Slika 3.16: Nadomestna shema asinhronskega motorja s kratkostično kletko [4] ................... 21
Slika 3.17: Blokovna shema lineariziranega modela asinhronega motorja [4] ........................ 22
Slika 3.18: Idealiziran model trifaznega asinhronega motorja [4] ........................................... 23
Slika 3.19: Razmerja med koordinatnim sistemom abc in sistemom qd0 [4] .......................... 24
Slika 3.20: Shema pogona elektromotorja s pomočjo krmilnika [3] ........................................ 25
Slika 3.21: Odprto zančna nastavitev vrtilne hitrosti [3] .......................................................... 28
Slika 3.22: Frekvenčni pretvornik Hitachi SJ100 [8] ............................................................... 29
Slika 3.23: Specifikacija kanalov oziroma priklopnih sponk [17] ........................................... 30
- XI -
Slika 3.24: Prikaz priklopnih kanalov oziroma sponk [17] ...................................................... 30
Slika 3.25: Priključitev elektromotorja na frekvenčni pretvornik [10] .................................... 31
Slika 3.26: Priključitev po navodilih proizvajalca frekvenčnega pretvornika (levo) in
shematski prikaz razporeditve priključnih sponk vezave zvezda [12] ............................. 31
Slika 3.27: Prikaz priključitve motorja in frekvenčnega pretvornika ....................................... 31
Slika 3.28: Priključitev zunanjih stikal po vezalni shemi proizvajalca [10] ............................ 32
Slika 4.1: Prikaz celotne dejanske merilne proge ..................................................................... 33
Slika 4.2: Shematski prikaz celotne merilne proge .................................................................. 34
Slika 4.3: Poenostavljen shematski prikaz cevnega omrežja z vejo A in vejo B ..................... 34
Slika 4.4a,b: Prikazuje sestavne dele sesalne strani ................................................................. 35
Slika 4.5a,b: Prvi manometer na tlačni strani (levo), prvi tlačni senzor na tlačni strani (desno)
.......................................................................................................................................... 36
Slika 4.6: Ultrazvočni merilnik pretoka ................................................................................... 36
Slika 4.7: Kontrolni manometer na tlačni strani ....................................................................... 37
Slika 4.8: Vodomer, drugi tlačni senzor in sedežni ventil ........................................................ 37
Slika 4.9: Veja B, sedežni ventil za simulacijo potrošnikov .................................................... 38
Slika 4.10: Vertikalna večstopenjska centrifugalna črpalka Grundfos z oznako CR4-100 [11]
.......................................................................................................................................... 39
Slika 4.11: Območje delovanja črpalke CR4-100, umeščene v merilno progo [11] ................ 39
Slika 4.12: Črpalka Grundfos CR4-100 z vgrajenim asinhronskim motorjem ........................ 40
Slika 4.13: Prikazuje črpalko v prerezu s sestavnimi deli (levo) in opisom na desni strani [11]
.......................................................................................................................................... 40
Slika 4.14: Ultrazvočni merilnik pretoka Fuji Portaflow X ..................................................... 42
Slika 4.15: Shematski prikaz segmentov ultrazvočnega merilnika pretoka Fuji Portaflow [18]
.......................................................................................................................................... 43
Slika 4.16: Shema merilnika tlaka ............................................................................................ 43
Slika 4.17: Podtlačni merilnik tlaka od -1 bar do 0 bar ............................................................ 44
- XII -
Slika 4.18: Nadtlačni merilnik tlaka od 0 bar do 10 bar ........................................................... 44
Slika 4.19: Nadtlačni merilnik tlaka od 0 bar do 25 bar ........................................................... 44
Slika 4.20: Nadtlačni elektronski senzor od 0 bar do 40 bar .................................................... 45
Slika 4.21:Odsevnik na gredi motorja in laserski merilnik vrtilne hitrosti .............................. 45
Slika 5.1: Sliki prikazujeta dejansko merilno progo................................................................. 46
Slika 5.2: Potek tlaka in pretoka pri skoku vrtilne hitrosti iz mirovanja 0 Hz na 50 Hz .......... 49
Slika 5.3: Potek tlaka in pretoka pri skoku vrtilne hitrosti iz mirovanja 0 Hz na 40 Hz .......... 50
Slika 5.4: Potek tlaka in pretoka pri skoku vrtilna hitrosti iz mirovanja 0 Hz na 30 Hz .......... 50
Slika 5.5: Potek tlaka in pretoka pri skoku vrtilne hitrosti iz mirovanja 0 Hz na 20 Hz .......... 50
Slika 8.1: Oštevilčen prikaz sestavnih členov merilne proge, ki povzročajo lokalne izgube... 56
Slika 8.2: Skicirane mere črpalke in električni podatki [14] .................................................... 59
Slika 8.3: Izbira lokacije namestitve merilne letve (detektorja) ultrazvočnega merilnika [18] 60
Slika 8.4: Pravilna namestitev detektorja ultrazvočnega merilnika [18] .................................. 61
Slika 8.5: Območje namestitve detektorja ultrazvočnega merilnika [18] ................................ 61
Slika 8.6: Prikaz pravilne namestitve detektorja ultrazvočnega merilnika [18] ....................... 61
- XIII -
KAZALO PREGLEDNIC
Preglednica 1: Rezultati statičnih meritev pri vrtilni hitrosti 60 Hz ......................................... 47
Preglednica 2: Izmerjene vrtilne hitrosti in nastavljene frekvence........................................... 48
Preglednica 3: Izračun linijskih in lokalnih izgub merilne proge v Excel-u ............................ 56
Preglednica 4: Rezultati meritev pri vrtilni hitrosti 20 Hz ....................................................... 62
Preglednica 5: Rezultati meritev pri vrtilni hitrosti 30 Hz ....................................................... 62
Preglednica 6: Rezultati meritev pri vrtilni hitrosti 40 Hz ....................................................... 63
Preglednica 7: Rezultati meritev pri vrtilni hitrosti 50 Hz ....................................................... 63
Preglednica 8: Rezultati meritev pri vrtilni hitrosti 55 Hz ....................................................... 64
Preglednica 9: Rezultati meritev pri vrtilni hitrosti 60 Hz ....................................................... 64
- XIV -
KAZALO DIAGRAMOV
Diagram 1: Realne bremenske karakteristike [6] ..................................................................... 13
Diagram 2: Prikaz gibanja: hitrost, pozicija in navor [13] ....................................................... 26
Diagram 3: Delovanje PŠM, prikaz vhodnih in izhodnih napetosti [13] ................................. 26
Diagram 4: Preklapljanje nastavljivih vrtilnih hitrosti [10]...................................................... 32
Diagram 5: Prikaz dobljenih rezultatov pri različnih vrtilnih frekvencah, tlakih in pretokih .. 47
- XV -
UPORABLJENI SIMBOLI
pretočna površina
c hitrost
premer
D premer vodnika
hidravlični premer
F sila
g težnostni pospešek
izgube mehanske energije
Hn nominalna tlačna višina
Hx trenutna tlačna višina
dolžina
ekvivalentna dolžina ravne cevi
vstopna dolžina
zagonski moment
omahni moment
nazivni moment
sinhronska vrtilna hitrost
vrtilna hitrost rotorja
nazivna vrtilna hitrost motorja
nx trenutna vrtilna hitrost motorja
nazivni izkoristek
trenutna vrednost izkoristka
o omočeni obseg
- XVI -
r radialna koordinat
Reynoldsovo število
hitrost
povprečna hitrost po prerezu cevi
volumenski pretok
Q pretok
n volumski nazivni pretok
Qx trenutni pretok
tlak okolice
tlačna razlika
potencialna razlika
specifično delo črpalke na enoto mase
izgube v vodniku na sesalni strani
izgube v vodniku na tlačni strani
ρ gostota
relativna hrapavost
koeficient lokalnih izgub
x vstopna dolžina
koeficient linijskih izgub
- XVII -
UPORABLJENE KRATICE
AC Izmenični tok
EM Elektromotor
EN Evropski standard
M Motor
PLC Programable logic controller – programamobilni krmilniki
PŠM Pulzno širinski modulator
∑ Vsota
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 1 -
1 UVOD
V obdobju nenehnega zavedanja o smotrni rabi energije je varčevanje z energijo del vsakega
projekta. Energetska učinkovitost je posebej pomembna zlasti tedaj, ko je potrebno za
energetski sistem zaradi njegove izrabljenosti ali visokih vzdrževalnih stroškov, sprejeti
odločitev o nadaljnjih ukrepih. Odločitev, ali izvesti remont obstoječega sistema, ali zamenjati
posamezne komponente, je (glede na velikost sistema in njegovo dotrajanost) običajno
prepuščena investitorjem oz. ekonomistom, ki se odločajo s stroškovnega vidika, na podlagi
predlogov, ki jih pripravijo strokovnjaki za tehnična področja.
S to diplomsko nalogo bomo preučili možnosti uporabe frekvenčne regulacije elektromotorja
za pogon črpalnega sistema s konvencionalno črpalko in tako ugotovili, ali je možno z
nadgradnjo obstoječega sistema črpalko prilagoditi novi, spremenjeni karakteristiki cevovoda
oziroma porabnikov. Za izvedbo eksperimentalnega dela bomo v okviru diplomske naloge
izdelali laboratorijsko merilno progo v katero bo priključena večstopenjska črpalka
proizvajalca Grundfos, gnana s trifaznim asinhronskim motorjem.
1.1 Opis splošnega področja diplomskega dela
Najprej je bilo potrebno pregledati in se seznaniti s stanjem na tržišču in predvsem možnostmi
uporabe tovrstnih sistemov. Pozanimali smo se o uporabi črpalnih sistemov, ki jih proizvajalci
običajno delijo na hišne ter sisteme za večstanovanjske in industrijske objekte.
Pri sistemih za dom se srečamo tako s črpalnimi sistemi za toplo vodo (ogrevanje), sanitarno
in pitno vodo, ter sistemi za prečrpavanje odpadnih ali meteornih vod. Osredotočili se bomo
bolj na črpalne sisteme za oskrbo s sanitarno in pitno vodo. Ti so v manjših objektih
namenjeni predvsem za stalno oskrbo, pogosto na samostojnih virih pitne vode (studenci). Na
voljo so sistemi z maksimalno sesalno višino do 55 m ter maksimalnim pretokom do 8 m3/h.
Prav tako pa smo zasledil tudi sisteme z 'Variable speed booster system' (sistem s možnostjo
spreminjanja vrtilne hitrosti) z maksimalno sesalno višino do 50 m ter maksimalnim pretokom
do 12 m3/h.
Podobno velja tudi za večstanovanjske stavbe, kjer so ključni parametri uporabe tovrstnih
sistemov odvisni predvsem od samih potrošnikov, njihovih vklopov in izklopov. Prav zato
proizvajalec Grundfos (E-solutions with Grundfos E-pumps- brošura- E-gradivo) navaja, da
se zaradi tovrstnih sprememb ob uporabi črpalnih sistemov z variabilno hitrostjo znižamo
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 2 -
porabo energije na 85% klasičnega sistema, v nekaterih primerih pa je ta prihranek tudi do
50%. Proizvajalec navaja nekatera dejstva, ki govorijo v prid tovrstnim rešitvam.
Pri uporabi E-sistemov v primerjavi s klasičnimi sistemi s konstantno vrtilno hitrostjo, imajo
le ti naslednje prednosti:
- letni prihranek energije do 50% (običajno 25-35%),
- letno zmanjšanje emisij CO2 – običajno 1 tona CO2 za 3 kW moči,
- znižanje stroškov glede na življenjsko dobo obratovanja – običajno 25%,
- povrnitev stroškov investicije v tovrstne sisteme je 2-3 leta.
Podatki so dobljeni ob naslednjih predpostavkah: uporaba črpalke z elektromotorjem moči
3 kW, ki deluje v povprečju 12 ur na dan in povprečno 220 dni na leto. Povprečna vrednost
CO2 / kW je 0,37 kg. Za izračun življenjske dobe je vzeto obdobje 10 let.
Omenjeni podatki nakazujejo smeri razvoja črpalnih sistemov, zato je smiselno izvesti
preizkuse delovanja za različne režime, tako nastavljanja tlaka, kakor tudi vklopov in
izklopov potrošnikov.
V naših raziskavah stanja smo se predvsem omejili na proizvajalca Grundfos, saj je bil v
preizkuševališču uporabljen njihov starejši tip črpalnega sistema, ki je deloval v realnih
razmerah 15 let. Črpalni sistem je bil tudi delno obnovljen, tako da ustreza nazivnim
karakteristikam podanim v literaturi.
1.2 Struktura diplomskega dela
Sama diplomska naloga je razdeljena v poglavja, v katerih opredelimo problematiko oskrbe z
vodo. V nadaljevanju bomo podali osnovne značilnosti, matematične zapise in izračune
potrebne za preverjanje pravilnosti izbranega sistema, ki so hkrati tudi lahko osnova za
izračun osnovnih parametrov črpalnega sistema pri novih sistemih.
Sledijo opisi posameznih elementov sistema in nekatere njihove značilnosti, podrobneje bo
predstavljen tudi sam pogonski agregat in značilnosti vodenja, predvsem z namenom
spreminjanja vrtilne hitrosti. Nato bo opisano še samo preizkuševališče, značilnosti
posameznih komponent in režimi obratovanja. Sledijo eksperimentalni rezultati, dobljeni pri
statičnem obratovanju v posameznih delovnih točkah in preizkusi dinamičnega delovanja
črpalnega sistema. V zaključku bodo podana razmišljanja in komentarji dobljenih rezultatov.
Določena gradiva, ki bi bila za samo jedro diplomske naloge preobsežna, vsebujejo pa
pomembne podatke, so podana v prilogah.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 3 -
2 OPREDELITEV CILJEV DIPLOMSKEGA DELA
Zaradi potreb po nemoteni dobavi sanitarne in pitne vode v večnadstropnih, večstanovanjskih
zgradbah je potrebno raziskati možnosti dogradnje obstoječih sistemov. Razni proizvajalci
ponujajo različne sisteme, primerne tako za enostanovanjske, kakor tudi za večstanovanjske
objekte.
Tovrstni sistemi se pojavljajo povsod tam, kjer je potrebno potrošnikom zagotoviti ustrezen
pretok pri ustreznem tlaku.
Za izvedbo raziskave o možnosti uporabe frekvenčnega pretvornika na že obstoječem
črpalnem agregatu, je bil zastavljen cilj, poiskati optimalno izvedbo sistema za podaljšanje
uporabnosti. Cilj zajema proučitev komponent sistema, ki so na voljo in izvedba izgradnje
preizkuševališča na katerega je priključen obstoječi črpalni sistem. Nadalje je potrebno
preizkusiti delovanje celotnega sistema in določiti področja možne uporabe glede na
maksimalne zmožnosti črpalnega sistema. Preveriti tlačne izgube v cevovodu in preveriti
ustreznost samega črpalnega sistema za pokrivanje teh izgub. Določiti mejna področja za
preizkuse dinamičnega obnašanja, predvsem pri spremembi vrtilne hitrosti pogonskega
agregata (sprememba vodilne veličine) in pri spremembi potrebne oskrbe dodatno
vklapljajočih se potrošnikov (sprememba motilne veličine).
Pri sami nalogi je potrebno upoštevati tudi omejitve, ki jih daje sistem. Te so:
- da je vstopni in izstopni premer cevi enak 1'',
- da je za uporabo ultrazvočnega merilnika potrebno uporabiti cev z minimalnim premerom
2'',
- da je frekvenčni pretvornik namenjen elektromotornim pogonom z maksimalno močjo
2,2 kW in temu primeren tudi močnostni priklop.
Omejitve je potrebno upoštevati pri sami izgradnji sistema in pri določevanju možnih področij
obratovanja. Preveriti je potrebno tudi možnosti kompenzacije tlačnih padcev povzročenih z
dodatnim potrošnikom.
Pri uporabi frekvenčno reguliranih črpalk je potrebno upoštevati omejitve sklopa črpalke v
povezavi z elektromotorjem in frekvenčnim pretvornikom, predvsem z vidika iskanja
optimalnega obratovalnega režima. Ker so za sestavo proge uporabljeni že obstoječi deli, tako
črpalni agregat, kot del cevnega omrežja bodo eksperimentalni rezultati pokazali tudi
možnosti dogradnje frekvenčnega pretvornika obstoječemu in ostalim podobnim obstoječim
črpalnim sistemom.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 4 -
3 MATEMATIČNE OSNOVE
3.1 Matematični opis črpalnega dela in izračun izgub cevovoda
Pred pričetkom meritev na merilni progi je potrebno poiskati vse dejavnike, ki vplivajo na
analizo oziroma rezultate izvedbe celotnih meritev.
V preračunu je upoštevanje linijskih in lokalnih izgub pomemben dejavnik, ki bo v
nadaljevanju podrobneje opisan.
Študij notranjih tokov tekočine v vodnikih oziroma ceveh je zaradi pogoste praktične uporabe
izredno zanimiv in pomemben. V večini primerov notranjih tokov v inženirskih sistemih je
gibanje tekočine turbulentno [19].
Osnovna značilnost notranjih tokov je ta, da je tok tekočine v celoti ograjen s trdimi stenami.
Slika 3.1 prikazuje tokovne razmere na vstopu v vodnik. V vstopnem območju vodnika so
viskozni učinki pomembni le v mejni plasti. Ker pa se ta debeli, se neviskozno jedro
zmanjšuje. Zaradi tega se tok tekočine v osrednjem delu pospeši, tj. zaradi
kontinuitetne enačbe (1) [19].
(1)
Po določeni dolžini mejna plast v celoti izpolni cev. Viskozni učinki tako postanejo
pomembni v celotnem vodniku. Hitrostni profil se popolnoma razvije na nekoliko večji
razdalji, ki jo imenujemo vstopna dolžina . Za razdalje je hitrostni profil
popolnoma razvit, tj. zaradi tega je strižna napetost na steni vodnika konstantna in
tlak se zmanjšuje linearno vzdolž cevi pri laminarnem in turbulentnem tečenju. Vstopno
dolžino ocenimo z uporabo empiričnih enačb, nap. za laminarni tok velja izraz (2) [19],
, (2)
medtem ko za turbulentni tok (3) [19],
. (3)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 5 -
Slika 3.1: Tokovne razmere na vstopu v vodnik [19]
3.1.1 Linijske izgube [19]
Izgube mehanske energije stacionarnega razvitega toka tekočine v vodniku dolžine L in
premera D podamo s naslednjim izrazom (4) [19],
(4)
kjer je koeficient linijskih izgub in je povprečna hitrost po prerezu vodnika časovno
povprečne hitrosti. Pri vodnikih ne krožnega prereza premera vodnika D nadomestimo s
hidravličnim premerom določenim z odvisnostjo (5) [19].
(5)
kjer sta A pretočna površina in o omočeni obseg. Koeficient linijskih izgub je v splošnem
odvisen od Reynoldsovega števila in relativne hrapavosti, npr. velja naslednja implicitna
funkcija (6) [19],
(6)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 6 -
3.1.2 Lokalne izgube [19]
Z lokalnimi izgubami označujemo izgube mehanske energije zaradi lokalnih sprememb toka
tekočine na primer zaradi zožitve, razširitve in razcepa vodnika, spremembe smeri toka
oziroma cevnega kolena, armature itn. Računamo jih po formuli (7) [19],
, (7)
kjer je koeficient lokalnih izgub v splošnem funkcija Reynoldsovega števila in geometrijske
oblike , tj. (8) [19],
(8)
Pri velikih vrednostih Re števila, ko vztrajnostne sile prevladajo viskozne, pa le od
geometrijske oblike (9) [19],
(9)
V večini primerov je koeficient določljiv le empirično. Alternativno lahko podamo lokalne
izgube z ekvivalentno dolžino ravne cevi , definirane z enakostjo (10) [19],
(10)
tako, da velja (11) [19],
(11)
Skupne izgube mehanske energije vodnika so vsota linijskih in vseh lokalnih izgub (12) [19]
(12)
oziroma za primer konstantnega premera vodnika D = konst. (13) [19],
(13)
kjer je L celotna dolžina vodnika vštevši kolena [19].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 7 -
3.2 Izračun linijskih in lokalnih izgub
Na izdelani preizkuševalni progi, ki je podrobno opisana v poglavju 4.1 je cevno omrežje
sestavljeno iz veje A in veje B. Shematski prikaz preizkuševališča je podan na sliki 3.2.
Slika 3.2: Poenostavljen shematski prikaz cevnega omrežja z vejo A in vejo B
Tlačna stran se razcepi na vejo A in vejo B, zato moramo upoštevati slednje.
Za preračun linijskih in lokalnih izgub smo uporabili naslednje enačbe:
Enačba za izračun skupnih izgub na sesalni in tlačni strani (14).
(14)
Izgube na sesalni strani podaja naslednja enačba (15).
(15)
Izgube na tlačni strani pa (16),
(16)
Skupne izgube so podane z izrazom (17).
(17)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 8 -
kjer so koeficienti lokalnih izgub, koeficient linijskih izgub, premer cevi,
dolžina cevnega odseka in hitrost. Izračun tlačne izgube za en tokovni režim je prikazan v
prilogi 1, diplomske naloge.
3.3 Osnove za določitev pogonskega dela črpalnega agregata
3.3.1 Osnove pogonske tehnike [6]
Naloga elektromotornega pogona je vzpostavljanje povezave med omrežjem, ki dobavlja
električno energijo in delovnim strojem, kot porabnikom mehanske energije. Sama pretvorba
električne energije v mehansko se izvaja v elektromotorju, v smeri od omrežja preko
elektromotorja do delovnega stroja pa teče energijski pretok. Pri najenostavnejših
elektromotorskih pogonih (npr. pri nekaterih gospodinjskih strojčkih, pa tudi pri enostavnih
pogonih črpalk, ventilatorjev in podobnih strojev) je prisoten samo energijski pretok. V
tehniki avtomatizacije proizvodnih procesov je poleg energijskega pretoka prisoten še pretok
signalov oziroma pretok informacij. S pomočjo pretoka signalov, torej z merjenjem in
krmiljenjem (upravljanjem) veličin, ki nastopajo v proizvodnem procesu, krmilimo oziroma
reguliramo energijski pretok. Značilno je, da pretok signalov vodimo v povratni smeri tako,
da v elektromotorski pogon dodamo povratno zvezo oziroma zaključimo regulacijsko zanko.
Pogonska tehnika se pri avtomatizaciji proizvodnih procesov poslužuje krmilne tehnike; pri
zelo zahtevnih procesih pa mora vključevati tudi regulacijsko tehniko. Če je v
elektromotornem pogonu prisotna regulacija, le ta deluje z regulirano veličino delovnega
stroja nazaj na regulator motorja (slika. 3.3). Posebno pomembna je stalna prilagoditev
elektromotorja in pripadajočih stikalnih elementov na obratovalne pogoje delovnega stroja,
ki ga poganjamo. Iz teh razlogov moramo delovne karakteristike delovnih strojev natanko
poznati [6].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 9 -
Slika 3.3: Blokovna shema elektromotorskega pogona [6]
Naloge, ki jih predpisujejo delovni procesi, so lahko zelo raznovrstne. Elektromotorji se
najlažje prilagodijo delovnim strojem, ki obratujejo s konstantno vrtilno hitrostjo in
elektromotorje obremenjujejo ves čas s konstantno močjo ( ventilatorji, tekoči trakovi,
črpalke). Pod pogojem, da je nazivna moč elektromotorja pravilno izbrana, ne nastopijo
nikakršni problemi s segrevanjem saj navitja motorja lahko dosežejo kvečjemu temperaturo
stacionarnega stanja. Dodatne probleme zaradi segrevanja vnašajo elektromotorski pogoni, ki
jih pogosto vklapljamo in izklapljamo, oziroma pri katerih pogosto spreminjamo smer
vrtenja (dvigala, orodni stroji, valjalne proge). V nasprotju s trajno obremenitvijo lahko
elektromotorje, ki obratujejo samo v krajših časovnih intervalih (kratkotrajna obremenitev,
intermitirajoča obremenitev) obremenimo z večjimi močmi, kot znaša nazivna obremenitev
elektromotorja. Elektromotorski pogoni, pri katerih zahtevamo spreminjanje vrtilne hitrosti
morajo biti ustrezno dodatno tehnično opremljeni (uporabljene ustrezne rešitve za odvajanje
dodatno nastajajoče toplotne obremenitve) [6].
Različne zahteve, ki smo jih omenili, narekujejo izbiro zelo raznovrstnih elektromotorjev z
močmi od nekaj mW (pri urnih mehanizmih, merilnih instrumentih) do 50 MW (za pogon
črpalk, ki črpajo vodo v akumulacijska jezera) in vrtilnimi hitrostmi od 1/1000 min-1
(za
pogon nonijev) pa vse do 100000 min-1
(pri ultra hitrih centrifugah). Glede na te zahteve se
ravnata tudi frekvenca in napajalna napetost uporabljenih elektromotorjev. Od
elektromotorjev razumljivo zahtevamo dovolj dolgo življenjsko dobo, prav tako pa morajo
vsi elektromotorji zagotavljati tudi primerno zaščito osebja, ki s temi motorji upravlja [6].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 10 -
3.3.2 Pogonska moč črpalke [6]
Pretok zraka in pretok tekočin načeloma lahko obravnavamo na enak način. Pozornost je
treba posvečati izkoristku, ker so izkoristki batnih črpalk od =0.8 do =0.95 večinoma
znatno boljši od izkoristkov centrifugalnih črpalk (=0.5 do =0.85). Razen tega pri
črpalkah izbiramo vselej za varnostni faktor ks=1.1 do ks=1.5 večjo pogonsko moč kot pri
ventilatorjih oziroma kompresorjih zaradi velikega vpliva trenja tesnilke na osi črpalke.
Formula za izračun potrebne pogonske moči črpalk dobi s tem obliko (18) [6].
Pk p
pog
s
(18)
3.3.3 Bremenske karakteristike pri spremenljivi vrtilni hitrosti [6]
Delovni stroj pogonski elektromotor le redkokdaj obremenjuje s konstantno obremenitvijo,
večinoma se potrebna pogonska moč v odvisnosti od obravnavanega delovnega poteka
spreminja z vrtilno hitrostjo in časom, lahko pa tudi zaradi drugih spremenljivih veličin. Te
odvisnosti si bomo sedaj podrobneje ogledali [6].
Razlikujemo štiri vrste bremenskih karakteristik v odvisnosti od spremenljive vrtilne hitrosti,
ki jih lahko matematično in grafično predstavimo v obliki preprostih funkcij oziroma grafov
(slika 3.4). Dejanske bremenske karakteristike lahko zaradi različnih vplivov bolj ali manj
odstopajo od idealnih potekov, vendar bomo te vplive v nadaljnjem zanemarili, oziroma
bomo nanje opozorili na koncu tega poglavja. Karakteristike bomo prikazovali z relativnimi
veličinami, ker dobijo s tem diagrami splošnejšo veljavnost. Relativne veličine definiramo s
kvocientom dejanske vrednosti veličine s pripadajočo nazivno vrednostjo. Vse relativne
veličine so brez dimenzijske. Relativne veličine, ki nastopajo v bremenskih karakteristikah
so [6]:
- relativni bremenski moment:
MM
MB
B
B
r
N
, (19)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 11 -
- relativna bremenska moč:
PP
PB
B
B
r
N
, (20)
- relativna vrtilna oziroma relativna kotna hitrost:
Nr
Nr
n
nn
. (21)
Pozneje bomo uporabljali še druge relativne veličine, ki pa jih bomo definirali takrat, ko jih
bomo potrebovali. Če ima neka veličina dejansko vrednost enako nazivni vrednosti, ima
pripadajoča relativna veličina vrednost 1 [6].
a) b) c) d)
Slika 3.4: Bremenske karakteristike delovnih strojev [6]
V sliki 3.4 predstavljajo posamezni diagrami: a) Konstantna pogonska moč, b) Konstantni
bremenski moment, c ) Linearno naraščajoči bremenski moment, d) Kvadratično naraščajoči
bremenski moment [6].
Konstantna pogonska moč. Pri delovnih strojih, kot so stroji za plano struženje se zahtevajo
pri optimalnem obratovanju določene, konstantne vrednosti rezalne sile F in rezalne hitrosti
v, odvisne od vrste materiala obdelovanca. Torej je potrebna bremenska moč
P F v MB B konstantna, kar pa zahteva glede na spremenljiv radij struženja
nastavljivo vrtilno hitrost. Za bremenski moment tedaj velja po sliki 3,4a [6]:
MP konst
n
konst
nF r konst r M
nr
B
B
B
.
2
12
1 . (22)
Podobne razmere vladajo pri navijalnih strojih in raznih vretenih, kadar želimo različne
trakove (trakove iz pločevine, papirne, tekstilne ali magnetofonske trakove) naviti okrog osi
vretena s konstantno silo navijanja F in s konstantno transportno hitrostjo v tako, da se radij
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 12 -
navitja povečuje. Največji in najmanjši radij navitja v tem primeru določata najmanjšo
oziroma največjo vrtilno hitrost [6].
Konstantni bremenski moment. Pri dvigalnih napravah in vitlih je bremenski vrtilni
moment M F rB , potreben za dviganje bremena z maso m določen s silo F m g in
navijalnim polmerom r. Ker je dvižna sila F konstantna in ker se tudi navijalni polmer r pri
vitlu ne spreminja, je vrtilni moment neodvisen od vrtilne hitrosti (je konstanten), bremenska
moč pa narašča linearno s kotno oziroma z vrtilno hitrostjo (slika 3,4b) [6]:
P M nB B . (23)
Podobno velja za delovne stroje, ki opravljajo mehansko delo z dviganjem neke snovi, s
trenjem ali s preoblikovanjem materiala, to se pravi za srednje obremenitve batnih črpalk in
kompresorjev, za zobniške črpalke, mehove z ohišjem in s konstantnim protitlakom, za
ležaje, gonila in podobno, za mline, tekoče trakove, valjarne, ne nazadnje pa tudi za orodne
stroje z odrezovanjem s konstantno rezalno silo in konstantnim premerom struženja, kot na
primer za stružnice in skobeljne stroje s konstantnim presekom odrezka in poljubno rezalno
hitrostjo [6].
Linearno naraščajoči bremenski moment. Linearno naraščajoči bremenski vrtilni moment
v odvisnosti od vrtilne hitrosti n [6]:
M nB (24)
in s tem kvadratično naraščajočo bremensko moč:
P M nB B 2 2
, (25)
zahtevajo le redki delovni stroji (slika 3,4c). Tu moramo omeniti le delovne stroje s trenjem,
proporcionalnim hitrosti (tako imenovanim viskoznim trenjem), tako npr. stroje z valjčki za
obdelavo papirnih, tekstilnih ali gumijastih vlaken, nadalje električne zavore na vrtinčni tok
pri nižjih vrtilnih hitrostih, pa tudi konstantno vzbujeni enosmerni generator s konstantno
bremensko upornostjo [6].
Kvadratično naraščajoči bremenski moment. Kadar moramo premagovati zračni upor ali
upor tekočine, je potreben bremenski moment, ki se z vrtilno hitrostjo kvadratično spreminja:
M nB 2 2
, (26)
bremenska moč pa celo s tretjo potenco vrtilne hitrosti (slika 3,4d):
P M nB B 3 3
. (27)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 13 -
Zgledi za to vrsto delovnih strojev so ventilatorji vseh vrst, propelerji (tudi ladijski vijaki),
centrifugalne črpalke in kompresorji, centrifuge, mešalci, vozila in transportne naprave, ki
premagujejo zračne upore pri višjih hitrostih [6].
Karakteristike delovnih strojev se v praksi lahko precej razlikujejo od idealnih karakteristik,
prikazanih na sliki 3.4. Večinoma je treba idealnemu bremenskemu momentu prišteti še
vrtilni moment za premagovanje trenja, za katerega je značilno, da je v širokem območju
skoraj neodvisen od vrtilne hitrosti, vendar pa lahko močno naraste pri mirovanju stroja in
zato povzroča velik bremenski moment pri speljevanju iz stanja mirovanja, tako da moramo
temu primerno dimenzionirati tudi zagonski moment pogonskega elektromotorja. Bremenski
moment za speljevanje iz stanja mirovanja je večinoma 20 do 30 % večji od normalnega
bremenskega momenta, vendar pa se lahko ta vrednost poveča za 50 %, če delovni stroj
nekaj dni miruje, pri vrtljivih cementnih pečeh pa naraste celo za 150 %. Pri papirnih strojih
z drsnimi ležaji se bremenski moment za speljevanje iz stanja mirovanja poveča za 100 do
300 %. Pri zelo velikih strojih pred zagonom dodajajo tlačno olje med osjo in spodnjo
ležajno lupino, tako da lahko vzdržujejo majhno trenje ležajev že v stanju mirovanja. [6]
Diagram 1: Realne bremenske karakteristike [6]
(1) - dvigalo s trenjem,
(2) - batni kompresor z zagonom proti delovnemu pritisku,
(3) - drobilec,
(4) - centrifugalna črpalka z zagonom proti delovnem pritisku,
(5) - enako kot (4), vendar z razbremenitvijo.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 14 -
Pri črpalkah in kompresorjih se karakteristike lahko precej razlikujejo od idealnih, kar je
odvisno od tega ali jih zaganjamo razbremenjene ali tako, da morajo premagovati določen
delovni pritisk. Tako npr. bremenski moment batnega kompresorja, ki ga zaženemo proti
delovnemu pritisku, naraste na 1.5 do 1.7 - kratno nazivno vrednost. Nekatere zglede drugih
delovnih strojev prikazuje zgornji diagram 1 [6].
3.3.4 Asinhronski motor
Asinhronski motor je v današnji industriji med najpogosteje uporabljen motor. Prednost pred
enosmernimi motorji je predvsem v enostavni izvedbi, ki bistveno zmanjšuje stroške izdelave,
robustnosti izdelave in ločitve rotorskega in statorskega tokokroga in posledično do mnogo
boljšega izkoristka [14].
Asinhronski motor sestavljata dva osnovna sestavna dela:
- mirujoči stator z faznimi navitji in
- vrteči se rotor s kratkostično kletko.
Med statorjem in rotorjem je zračna reža (0,3 - 1,5 mm). Stator je sestavljen iz železnega
paketa, ki ga obdaja ohišje. V notranji strani pa so utori v katere so vstavljena navitja, kar je
razvidno iz slike 3.5 [14].
Slika 3.5: Stator brez ohišja levo in v ohišju desno [14]
Rotor, ki je fiksiran na gredi, je sestavljen iz sklopa lamelirane dinamo pločevine, slika 3.6
[14].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 15 -
Slika 3.6: Rotor fiksiran na gred motorja [14]
Rotor ima po obodu v utorih zalite palice iz aluminija ali bakra, ki povezujejo dva obroča med
seboj. Ta oblika paličnega navitja predstavlja kratkostično kletko, ki jo prikazuje slika 3.7
[14].
Slika 3.7: Kratkostična rotorska kletka [14]
Slika 3.8 prikazuje princip nastanka magnetnega polja, ki ga povzroča priključna napetost. Ob
uporabi izmeničnega toka vidimo, da med faznima navitjema B in C, obstaja kot 120°.
Število polov predstavlja število navitij, ki so razporejena po obodu.
Slika 3.8: Prikaz faze navitja in število polov [14]
V primeru, kot ga prikazuje slika 3.8, je skupno število polov ravno podvojeno število faz,
torej govorimo o dvopolnem statorju. Če bi se vsaka faza navitja pojavila štirikrat ali celo
osemkrat, bi govorili o štiri polnemu statorju ali osem polnem statorju. Število polov vpliva
na to, da motor tako deluje z različnimi vrtilnimi hitrostmi [14].
Enostavneje si lahko asinhronski motor predstavljano, kot transformator z gibljivim rotorjem.
Stator je priključen na napajalni vir, skozi rotorsko navitje pa teče inducirani sekundarni tok.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 16 -
Posledica delovanja rotorskih tokov na magnetni pretok v zračni reži, tako imenovan fluks, pa
je vrtilni navor [14].
Potrebno je poudariti, da v praksi srečujemo z dve vrsti asinhronih motorjev, to so motorji z
kratkostično kletko, ki jo sestavlja večje število medsebojno povezanih palic iz bakra ali
aluminija in motorji z rotorskim navitjem in drsnimi obroči.
Pogonski sklop uporabljen v diplomski nalogi je Grundfos-ov standardni kratkostični
dvopolni asinhroni elektromotor MG 100, moči 2,2 kW (slika 3.9), z dimenzijami v skladu z
EN standardi. Motor je opremljen z zaprtim ventilatorskim hlajenjem ter napajan z napetostjo
400 V preko frekvenčnega pretvornika Hitachi SJ100.
Slika 3.9: Sestavni deli asinhronskega elektromotorja MG 100 [15]
Slabost asinhronskih motorjev je bila predvsem težava pri nastavljanju vrtilne hitrosti. S
hitrim razvojem stikalne tehnike in elektronike so v večini odpravljene tudi te
pomanjkljivosti. Glavni namen krmilnih naprav v začetni fazi razvoja je bil zniževanje
priključne statorske napetosti, v nadaljevanju pa tudi možnost spreminjanja frekvence. Vse to
je v nadaljevanju vodilo k vplivu na tok in magnetno polje [3].
V skladu s predpisi je potrebno motorje priključiti na ustrezen način z uporabo zaščitnih stikal
[11].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 17 -
3.3.4.1 Delovanje asinhronega motorja
Ko na statorska navitja priključimo trifazno izmenično napetost, povzročimo nastanek
vrtljivega izmeničnega statorskega magnetnega polja. Ta posledično zaradi medsebojnega
delovanja z rotorskim magnetnim poljem zavrti rotor, kar je v skladu z osnovnimi zakoni
elektromagnetnih sistemov. Pri vrtenju se pojavi razlika med samo hitrostjo vrtilnega
magnetnega polja in dejanskim vrtenjem rotorja, ki jo imenujemo slip. Slip je podan, kot
odstotna vrednost in je ključen vzrok za navor [14]. Zaradi odstopanja med vzbujevalno
vrtilno hitrostjo magnetnega polja in dejansko vrtilno hitrostjo rotorja izhaja tudi ime,
asinhronski motor. Prav tako se pogosto uporablja naziv indukcijski motor, ki izhaja iz
samega načina delovanja.
Slika 3.10: Shematičen prikaz slipa [14]
Slip izračunamo z naslednjo enačbo.
, (28)
kjer predstavlja sinhronsko vrtilno hitrost in, - vrtilno hitrost rotorja.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 18 -
3.3.4.2 Karakteristična krivulja asinhronskega elektromotorja
Za pravilno obravnavo in uporabo samih asinhronih motorjev je ključnega pomena
poznavanje momentne karakteristike. Slika 3.11 prikazuje momentno karakteristiko
asinhronskega motorja s kratkostično kletko.
Slika 3.11: Primer diagrama odvisnosti vrtilne hitrosti in momenta kjer je:
MA – zagonski moment, MK – omahni moment, MN – nazivni moment in ML – bremenski
Moment.
Za vrednotenje posameznih točk v diagramu podaja razna literatura povezave za
preračunavanje. V ta namen uporabimo Klossovo enačbo, ki je podrobneje opisana v viru [6].
Za pravilno uporabo Klossove enačbe je potrebno poznati osnovne izpeljave, kjer za izhodišče
obravnavamo enačbo pogonske moči, navora in vrtilne hitrosti.
kjer je . (29)
Če enačbo 29 preoblikujemo tako, da iz nje izrazimo moment, dobimo:
- nedefinirana moč pri zagonskem toku (30)
Enačba 30 je osnova za izračun, predvsem za podatke, ki jih podaja proizvajalec (nazivna
točka), ostale pa izrazimo s Klossovo enačbo, ki ima naslednjo splošno obliko:
(31)
Če moment M in slip s (pri zagonu je slip s = 1) zamenjamo z podatki za zagon dobimo:
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 19 -
(32)
Tako lahko zapišemo splošno obliko Klossove enačbe, ki je najpogosteje v uporabi :
, (33)
kjer je slip s podan z izrazom
. (34)
V enačbah 30, 31, 32, 33 in 34 predstavljajo: - sinhrona hitrost, - hitrost rotorja, - –
zagonski moment, - – omahni moment in, - – nazivni moment.
3.3.4.3 Karakteristična preizkusa
Pogosto proizvajalci ne podajo ključnih podatkov o elektromotorjih, zato jih mora uporabnik
pridobiti neposredno od proizvajalca (proti plačilu) oziroma izvesti ustrezne preizkuse.
3.3.4.3.1 Preizkus prostega teka [3]
Pri določitvi parametrov asinhronskega motorja, moramo za določitev vrednosti posameznih
karakteristik, kot so upornosti rotorskih in statorskih navitij ter induktivne upornosti, izvesti
preizkus prostega teka. Preizkus prostega teka izvedemo tako, da se rotor motorja brez
obremenitve prosto vrti. Slika 3.12 prikazuje merilno vezavo instrumentov. Pri preizkusu
določimo pri nazivni medfazni napetosti vrednost moči in toka (meritev se izvede v vseh
fazah).
Slika 3.12: Prikaz merilne vezave instrumentov [3]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 20 -
3.3.4.3.2 Preizkus kratkega stika [3]
Pri preizkusu kratkega stika, meritev izvajamo pri znižani napajalni napetosti in blokiranem
rotorju oziroma rotorju, ki se vrti z vrtilno hitrostjo n < 10 min-1.
Slika 3.13 prikazuje merilno vezavo instrumentov [3].
Slika 3.13: Prikazuje merilne vezave instrumentov [3]
Tudi tu je zadeva podobna, kot pri preizkusu prostega teka, merimo moč (Aronova vezava) in
tok [3].
Proizvajalec frekvenčnega pretvornika v svojih navodilih prav tako predlaga vezalno shemo
za meritev osnovnih vrednosti toka, napetosti in moči na vstopu in izstopu iz samega
frekvenčnega pretvornika. Slika 3.14 prikazuje predlog vezalne sheme z označenimi merjenji
vrednosti, kjer je potrebno opomniti, da je merjenje moči naznačeno zgolj simbolično med
dvema fazama (kar ne ustreza dejanski izvedbi priključitve W-metra, kjer je potrebno
zaporedno vezati tokovni del, vzporedno pa napetostni merilni del), kakor je bil to primer pri
vezah na slikah 3.12 in 3.13.
Slika 3.14: Prikaz merilne naprave vezava, originalna slika iz navodil SJ 100 [17]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 21 -
3.3.5 Dinamično obnašanje asinhronskega motorja – matematični model [4]
Nastavljanje vrtilne hitrosti asinhronskih motorjev predstavlja v novejšem času predvsem
poseg v spreminjanju vzbujevalne frekvence, kar opravlja frekvenčni pretvornik. Uporabnik
se mora pogosto ob izboru načina regulacije vrtilne hitrosti, odločati med več možnimi
izvedbami, tako samih elektromotorjev, kot frekvenčnih pretvornikov in vrst regulacije.
Opisovanje matematičnih modelov motorja je bilo pogojeno predvsem z zmožnostmi
računalnikov pri izvajanju simulacij. Za matematični opis tako izmeničnih, kot enosmernih
strojev se je uporabil poenostavljen model, ki jih navajajo različne literature. Na sliki 3.15 je
prikazan tovrstni model uporabljen za opis delovanja asinhronskega motorja.
Slika 3.15: Blokovna shema simulacijskega modela asinhronskega motorja [4]
Navedeni model omogoča izvedbo simulacije, ki zadovoljuje grobo delovanje samega
motorja, vendar ga lahko uporabimo samo v okolici nazivne delovne točke elektromotorja.
Konstante posameznih prenosnih funkcij je možno določiti s pomočjo kataloških podatkov.
Na osnovi nadomestne sheme, podane na sliki 3.16, lahko zapišemo prenosne funkcije
lineariziranega matematičnega modela tudi zunaj nazivne delovne točke.
Slika 3.16: Nadomestna shema asinhronskega motorja s kratkostično kletko [4]
Iz nadomestne sheme opišemo dinamično obnašanje:
ms m m r r
dis k u i R L
dt (35)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 22 -
Z uporabo Laplaceove transformacije izpeljemo prenosno funkcijo.
1
m s s
m r r r r
i p s k s k
u p R L p R pT
(36)
Podobno izpeljemo še prenosno funkcijo nastanka elektromehanskega navora:
1m
m w cel
p
m p m p p J
, (37)
kjer predstavlja Jcel seštevek lastnega vztrajnostnega momenta motorja in vztrajnostnega
momenta bremena. S poznavanjem razmerja
( )m
m
m
m pk
i p , (38)
lahko zapišemo prenosno funkcijo celotnega sistema. Slika 3.17 prikazuje blokovno shemo
lineariziranega modela opisa delovanja asinhronskega motorja.
Slika 3.17: Blokovna shema lineariziranega modela asinhronega motorja [4]
Za določitev posameznih konstant v opisanem modelu je potrebno opraviti preizkus praznega
teka (opis podan v poglavju 3.3.4.3.1) in kratkega stika (opis podan v poglavju 3.3.4.3.2)
Preizkus se lahko izvede v laboratoriju oziroma v industriji. Podatkov o teh preizkusih
proizvajalci motorjev običajno ne dajejo, tako jih mora uporabnik zahtevati od proizvajalca
oziroma sam opraviti preizkus.
Pomanjkljivost tovrstnih modelov je predvsem v tem, da ne opisujejo asinhronskega
elektromotorja v celotnem območju njegovega delovanja, saj za potrebe simulacije pogosto
zanemarjamo spremembo slipa. Tako obravnavamo delovanje motorja le v okolici delovne
točke. Pogosto pa je potrebno obravnavati tudi pojave, ki jih v idealiziranem modelu ne
moremo zajeti (vpliv preklopne frekvence, izpadi posameznih faz in podobno). Zato je
potrebno razviti popolnejši model, ki bo dovolj verodostojno obravnaval tudi te pojave. V
literaturi zasledimo različne koncepte razvoja modelov. Prikazan bo model povzet po viru [3],
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 23 -
ki podaja osnovne enačbe za statorsko in rotorsko stran ter moment, ki se uporablja za
natančnejše obravnavanje obnašanja. Razni viri podajajo modele, ki jih lahko uporabimo in
zanje zapišemo ustrezne enačbe na osnovi idealiziranega modela prikazanega na sliki 3.18
[4].
Slika 3.18: Idealiziran model trifaznega asinhronega motorja [4]
Idealiziranemu modelu lahko zapišemo naslednje enačbe:
asas as s
bsbs bs s
cscs cs s
dv i r V
dt
dv i r V
dt
dv i r V
dt
(39)
kjer predstavljajo vas, vbs in vcs statorske fazne napetosti, ias, ibs in ics statorske fazne tokove,
as , bs in cs statorske magnetne sklepe in rs upornost ene faze statorskega navitja
arar ar r
brbr br r
crcr cr r
dv i r V
dt
dv i r V
dt
dv i r V
dt
(40)
kjer predstavljajo var, vbr in vcr rotorske fazne napetosti, iar, ibr in icr rotorske fazne tokove, ar ,
br in cr rotorske magnetne sklepe in rr upornost ene faze rotorskega navitja.
r
-bs
as
-cs
bs
-as
cs
cr-br
ar
-crbr
-ar
r
as os
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 24 -
3
2 2
3
2 2
3
2 2
em qr dr dr qr
ds qs qs ds
dr qs qr ds
PT i i
Pi i
PL i i i i
(41)
Pri obravnavanju definiramo nov koordinatni sistem qd0, z njegovo pomočjo lahko
obravnavamo poljuben režim delovanja samega elektromotorja (slika 3.19).
Slika 3.19: Razmerja med koordinatnim sistemom abc in sistemom qd0 [4]
Podobno kot v koordinatnem sistemu abc zapišemo napetostne enačbe in enačbe navora za
koordinatni sistem qd0:
0 0 0
qs qs ds s qs
ds ds qs s ds
s s s s
v p r i
v p r i
v p r i
(42)
0 0 0
qr qr r dr r qr
dr dr r qr r dr
r r r r
v p r i
v p r i
v p r i
(43)
3 P
2 2
3 P
2 2
3 P
2 2
3 P
2 2
em ds qs qs ds r dr qr qr drr
qr dr dr qr
ds qs qs ds
m dr qs qr ds
T i i i i
i i
i i
L i i i i
(44)
bs
cs
arbr
cr
as-os
q-os
d-os
r
r
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 25 -
S pomočjo nadomestnih shem lahko predstavimo enačbe 42, 43 in 44, ki obravnavajo
napetostne razmere in spreminjanje navora.
Za pravilno obratovanje dinamičnega obnašanja je nujno potrebno izdelati simulacijske
modele. S pomočjo le teh lahko pred samo izvedbo preizkusa preverimo delovanje tako
posameznih delov sistema, kot tudi celotni sistem. Za naš model so bile uporabljene
simulacije na osnovi najpogosteje uporabljenih modelov, kjer pa jih nismo uporabili za
projektiranje zaprto zančnih sistemov ( kar tudi ni namen te naloge), rezultatov le teh ni
navedeno.
3.3.6 Močnostni del sistema – Frekvenčni pretvornik
Zelo pomembno vlogo v samem delovanju asinhronega motorja predstavlja tudi močnostni
pretvornik. Močnostni pretvorniki so v primerjavi s ceno motorja sicer višji, če primerjamo
ceno močnostnega pretvornika in ceno izmeničnega motorja je ta 5/2, vendar se ta razlika v
določenem obdobju povrne saj tu bistveno prihranimo zaradi manjše porabe energije (kar
navaja tudi proizvajalec GRUNDFOS). V kolikor uporabljamo pretvornik se izkoristek
primarne energije poveča, prav tako pa se izboljša prilagajanje motorja v odnosu na mehansko
breme in električno omrežje [3].
Naloga močnostnega pretvornika je, da uravnava preneseno energijo odvzeto omrežju, ki ga
posreduje na asinhronski elektromotor. S spremembo amplitude oziroma frekvence napetosti,
ki je namenjena elektromotorju spreminjamo tudi izhodno energijo. Za krmiljenje delovanja
samega močnostnega pretvornika skrbi krmilnik, ki krmilne signale prenese in s tem vpliva na
delovanje močnostnega dela naprave, kar je razvidno iz slike 3.20 [3].
Slika 3.20: Shema pogona elektromotorja s pomočjo krmilnika [3]
Iz zgornje sheme je razvidno, da krmilni del pretvornika poskrbi za to, da močnostni del
pretvornika daje elektromotorju določeno napetost oziroma tok. Ob tem pa ima krmilni del
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 26 -
tudi funkcijo zaščite. V osnovi je pomembno, da sta motor in pretvornik v skladu s potrebo po
bremenu, kadar govorimo o prehodnih pojavih, kot so pospeševanje in zaviranje, torej hitre
spremembe delovanja. Tu pa se pojavi potreba po visokih navorih, ki jih mora pogon
zagotavljati [3].
Pogosto je potrebno zagotoviti zvezno gibanje brez sunkovitih delov, kar prikazuje diagram 2,
kar pa brez uporabe frekvenčnega pretvornika ni enostavno [13].
Diagram 2: Prikaz gibanja: hitrost, pozicija in navor [13]
V merilni progi je kot močnostni del asinhronskega trifaznega motorja uporabljen frekvenčni
pretvornik Hitachi SJ100.
Frekvenčni pretvornik je naprava, ki skrbi za regulacijo vrtljajev motorja. Sistem delovanja
frekvenčnega pretvornika je tak, da preko vhodne enote (usmernika) usmeri izmenično
vhodno napetost. Enosmerna napetost pa se preko močnostne izhodne enote razsmeri na
ustrezno izmenično napetost in frekvenco za motor [9].
Za vodenje pogosto uporabljamo strategijo pulzno širinske modulacije ali s kratico PŠM.
Pulzno širinski modulator ima funkcijo spreminjanja vira napajanja, ki vstopa v izhodno
obliko, kot je razvidno iz diagrama 3 [13].
Diagram 3: Delovanje PŠM, prikaz vhodnih in izhodnih napetosti [13]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 27 -
Večina frekvenčnih pretvornikov danes uporablja napredne vektorske algoritme, s katerimi je
mogoče znatno zmanjšati porabo električne energije. Z ustrezno regulacijo vrtilne hitrosti
motorja se povečuje prihranek energije, kot tudi v primeru, ko se vrtilna hitrost motorja ne
sme zmanjšati in obremenitev motorja ni trajna oziroma se ta pojavlja sunkovito. Vektorski
model frekvenčnega pretvornika konstantno spremlja vrtilno hitrost motorja ter v primeru, če
obrati ne zaostajajo za vrtilnim poljem statorja več kot je njegov » slip «, tok ostaja pod
nazivnim tokom. Če pretvornik zazna preobremenitev oziroma zmanjšanje obratov, se
preobremenitev rešuje s povečavo izhodne napetost in toka ter s tem momenta motorja. V
primeru, ko tok v določenem času ne pade pod mejo dovoljenega, frekvenčni pretvornik javlja
preobremenjenost in kasneje izklopi motor. Frekvenčni pretvornik tako varuje motor, samega
sebe in celoten sistem pred okvaro [9].
Frekvenčni pretvornik je elektronska naprava, ki je priključena na napajalno napetost
frekvence 50 Hz. To napetost usmerimo v enosmerno napetost, jo preusmerimo nazaj in ji
določimo novo frekvenco. Zgradba frekvenčnih pretvornikov je v osnovi enaka, zmogljivosti
pa so različne. Razlikujejo se po zmožnosti regulirane frekvence in po delovni moči motorja.
Prednosti frekvenčnega pretvornika so v cenovni dostopnosti, lahko pa mu programiramo
število vrtljajev in s tem tudi optimiziramo zagonske lastnosti [9].
Ostale glavne lastnosti frekvenčnega pretvornika so:
mehki zagon motorja brez tokovnih sunkov,
zagon s konstantnim tokom,
regulacija vrtilne hitrosti ali momenta [1].
Frekvenčni pretvorniki poleg mehkega zagona omogočajo še regulacijo vrtilne hitrosti
elektromotorja. Uporabni so prav pri vsakem elektromotornem pogonu s standardnim
trifaznim asinhronskim motorjem, kot so prezračevalni sistemi, kompresorji, dvigala, črpalke,
obdelovalni stroji, žage ipd. [1].
Mehki zagoni se uporabljajo za zagon trifaznih elektromotorjev in nadomeščajo starejšo
izvedbo zagona zvezda/trikot ,ki ima tudi omejitev glede moči. Mehki zagoni so fizično
bistveno manjši, omogočajo nastavitev toka v določenem času in s tem preprečujejo prevelike
zagonske tokove [1].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 28 -
Najpogostejša oblika je z uporabo skalarno krmiljenje vrtilne hitrosti, ki je prav v začetnem
razvoju pomenila edino možnost uporabe. Če pogledamo na splošno pri veliko pogonih ni
pogoj po spremembah vrtilne hitrosti, predvsem zaradi konstantnih vrtilnih hitrostih pri teh
pogonih. Zato imamo pogosto v uporabi odprto zančni način nastavljanja vrtilne hitrosti. Tu
je potrebno nastaviti vrednosti statorske napetosti oziroma frekvence. Spodnja slika 3.21
prikazuje blokovno shemo enostavne nastavitve vrtilne hitrosti. Na prvi sliki 3.21a vidimo
nastavljanje vrtilne hitrosti z redkim obratovanjem v nižjem področju delovanja. Slika 3.21b
pa prikazuje nastavljanje pri pogonih, kjer imamo korekcijo pri nižjih vrtilnih hitrostih [3].
Slika 3.21: Odprto zančna nastavitev vrtilne hitrosti [3]
Vrednosti vhodne napetosti je dodana izmerjena vrtilna hitrost s pomočjo katere določamo
frekvenco inverterja. Ta način lahko uporabljamo tudi pri generatorskem načinu obratovanja,
s tem, da moramo upoštevati splošne omejitve [3].
Sodobni frekvenčni pretvorniki so predvsem z razvojem stikalne elektronike omogočili
obratovanja, ki so možna v večini obremenitvenih primerov in jo poznamo predvsem kot
vektorsko vodene frekvenčne pretvornike. Zaradi uporabe mikroprocesorjev v samih
frekvenčnih pretvornikih se le ti pogosto ponašajo tudi z možnostmi, ki bi sicer potrebovale
večje število dodatnih senzorjev (merilniki magnetnega pretoka, merilniki hitrosti).
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 29 -
3.3.6.1 Frekvenčni pretvornik SJ100
V diplomski nalogi je bil uporabljen frekvenčni regulator tipa Hitachi SJ100, električne
napetosti 400 V, ki je razviden iz slike 3.22.
Slika 3.22:Frekvenčni pretvornik Hitachi SJ100 [8]
Frekvenčni pretvorniki Hitachi so bili razviti z namenom možnosti priklopa na različne
omrežne sisteme, ki so pogojeni z mednarodnimi standardi, kot so CE in UL. Posebnost tega
pretvornika je uporaba modula ISPM z naprednim brez senzorskim nadzorom (Advanced
Sensorless Vector Control and state-of-the-art fieldbus) [8].
Frekvenčni pretvornik Hitachi SJ100 ima procesor, ki omogoča določevanje parametrov
krmiljenja stikalne elektronike in regulacije vrtilne hitrosti. Prav zaradi izredno sposobnega
procesorja proizvajalci dodajajo standardnim funkcijam še različne nabore dodatkov, kot so
dodani zunanji regulatorji (običajno s PID strukturo), dodatne krmilne funkcije in večjim
naborom možnih komunikacij ter možnost oddaljenega vodenja. Na spodnji sliki 3.23 je
prikazana razporeditev priključkov močnostnega dela, komunikacije in javljanja napak,
medtem ko je na sliki 3.24 prikazan razpored sponk za krmilni del in vhodno-izhodni del.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 30 -
Slika 3.23: Specifikacija kanalov oziroma priklopnih sponk [17]
Slika 3.24: Prikaz priklopnih kanalov oziroma sponk [17]
3.3.6.1.2 Priključitev črpalke in frekvenčnega pretvornika
Proizvajalec za pogone dopušča različne možne vrste vodenja. Izbrali smo vodenje z uporabo
brezsenzorske regulacije, kar je prikazano na sliki 3.25. Pomen izrazov je: Variable frequency
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 31 -
drive - Spremenljiv frekvenčni pogon, Power input- priklop omrežne napetosti, Rectifier –
usmernik, Inverter – razsmernik.
Slika 3.25: Priključitev elektromotorja na frekvenčni pretvornik [10]
Slika 3.26: Priključitev po navodilih proizvajalca frekvenčnega pretvornika (levo) in
shematski prikaz razporeditve priključnih sponk vezave zvezda [12]
Slika 3.27: Prikaz priključitve motorja in frekvenčnega pretvornika
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 32 -
Za potrebe nastavljanja fiksnih vrtilnih hitrostih (20, 30, 40, 50 Hz) je bila uporabljena
priključitev s pomočjo zunanjih stikal. Namen tovrstnih priklopov je, da s pomočjo PLC
sistemov preklapljamo različne vrednosti med izbranimi iz tabele. Slika 3.28 prikazuje priklop
stikal in njihovo vezavo na sponke frekvenčnega pretvornika.
Slika 3.28: Priključitev zunanjih stikal po vezalni shemi proizvajalca [10]
Diagram 4: Preklapljanje nastavljivih vrtilnih hitrosti [10]
Diagram 4 prikazuje način spreminjanja vrtilnih hitrosti, glede na položaj priklopljenih stikal
(ali izhodov iz PLC sistemov), za izbor med vrtilnimi hitrostmi podanimi v tabeli. Želene
vrtilne hitrosti nastavimo z spremembo parametrov A20 do A35 tako, da vnesemo vrtilno
hitrost v obliki vrednosti frekvence.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 33 -
4 OPIS PREIZKUŠEVALIŠČA
Izdelana je bila merilna proga za preizkušanje odzivnosti sistema pri različnih odjemih
oziroma namišljenih potrošnikih, pretokih, tlakih in vrtilnih frekvencah. Preizkuševalno progo
prikazuje slika 4.1, kjer je prikazana dejanska celotna merilna proga z sestavnimi členi in
napravami, ki so na merilni progi nameščene.
Slika 4.1: Prikaz celotne dejanske merilne proge
4.1 Opis merilne proge
4.1.1 Hidravlični del - cevno omrežje in vgrajeni sestavni deli
Za sestavo cevnega omrežja smo uporabili pocinkane vodovodne jeklene cevi, nepovratni
ventil na sesalni strani, večstopenjsko črpalko z asinhronskim motorjem, 90° kolena, t-člene,
reducirne člene, krogelne ventile, sedežne ventile in mehanski vodomer. Posamezni elementi
so dimenzij od 1" do 2".
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 34 -
Slika 4.2: Shematski prikaz celotne merilne proge
Legenda:
V nadaljevanju je prikazan razčlenjen opis merilne proge, sestavnih delov oziroma
posameznih sklopov, ki so shematsko ponazorjeni in opisani.
Iz slike 4.3 je razvidno, da je cevno omrežje v osnovi sestavljeno iz sesalne in tlačne strani,
kjer je tlačna stran sestavljena iz veje A in veje B.
Slika 4.3: Poenostavljen shematski prikaz cevnega omrežja z vejo A in vejo B
Pred pričetkom delovanja je bilo potrebno preveriti skupne tlačne izgube sistema (izračun je
podan v prilogah) ter ugotoviti ali sistem v celoti pokriva te izgube. S tem je bilo določeno
tudi območje delovanja obstoječega sistema.
Pri opisu proge je potrebno poudariti pomanjkljivosti dane merilne proge, saj je bila ta
sestavljena iz razpoložljivih sestavnih delov.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 35 -
Pomanjkljivosti:
- črpalka ima maksimalni pretok 1.6 l/s in maksimalni tlak 16 bar,
- na tlačni strani se poveča presek cevi iz 1" do 2", ki je potreben zaradi namestitve
ultrazvočnega merilnika pretoka (merilno območje od 2" naprej),
- hitrost ultrazvočnega merilnika je omejena, odzivnost izmerjenega pretoka ni
sorazmerna z tlakom,
- na merilni progi prihaja do nesorazmerij zaradi različnih presekov cevi, povečanje
preseka iz 1" na 2", kar predstavlja +100% in zmanjšanja preseka iz 2" na 1",
- obrabljenost črpalke, saj je ta že prestala 15 letno nenehno obratovanje.
4.1.1.1 Sesalna stran merilne proge
Na sesalni strani cevnega omrežja v sesalnem košu, je nameščen nerjaveč mrežni filter, ki ima
vgrajen mehanski nepovratni element. Nad njim je ravni del 1" cevi, dolžine 1000 mm, sledi
krogelni ventil namenjen za potrebe polnitve cevi z vodo. Nato je na t-členu nameščen
vakuumski merilnik tlaka, ki ima podtlačno merilno območje ter 685 mm ravne cevi do
črpalke. Sledi vertikalna večstopenjska centrifugalna črpalka Grundfos s trifaznim
asinhronskim motorjem s oznako Grundfos MG, ki ga krmili frekvenčni regulator tipa
HITACHI SJ100, električne napetosti 400 V.
Na slikah 4.4 a,b, vidimo sestavne dele sesalne strani merilne proge.
a) b)
Slika 4.4a,b: Prikazuje sestavne dele sesalne strani
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 36 -
4.1.1.2 Tlačna stran merilne proge
Za črpalko je 150 mm ravne cevi, ki se zaključi z 90° kolenom. Nato je nameščen reducirni
člen, ki poveča premer iz 1" na premer 2". Sledi t-člen na katerem je nameščen nadtlačni
manometer oziroma tlačni senzor (uporabljen pri dinamičnem preizkušanju). Nato se cevno
omrežje nadaljuje s 2080 mm dolgim ravnim delom, na katerem smo namestili ultrazvočni
merilnik pretoka FUJI. Na koncu omenjene cevi je na t-členu nameščen drugi nadtlačni
merilnik tlaka, za njim pa t-člen, ki razdvoji omrežje na vejo A in vejo B oziroma na dva
namišljena potrošnika.
Slika 4.5a,b: Prvi manometer na tlačni strani (levo), prvi tlačni senzor na tlačni strani (desno)
Slika 4.6: Ultrazvočni merilnik pretoka
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 37 -
Veja A:
Veja A, se po t-členu reducira iz premera 2" na premer 1", nadaljuje se z ravnim delom na
katerem je nameščen mehanski merilnik pretoka, za njim pa kontrolni nadtlačni manometer.
Cevovod se nadaljuje z 90° kolenom za katerim je nameščen sedežni mehanski ventil, ki je
uporabljen za simulacijo porabe namišljenega potrošnika. Nato sledi ravni del dolžine 970
mm, 90° koleno in ravni del cevi dolžine 700 mm, ki vrača medij, v tem primeru vodo, v
bazen iz katerega na sesalni strani, v istem nivoju črpamo vodo.
Slika 4.7: Kontrolni manometer na tlačni strani
Slika 4.8: Vodomer, drugi tlačni senzor in sedežni ventil
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 38 -
Veja B:
V razcepu prikazanim na sliki 4.9 se prične veja B. Za t-členom, premer cevi do izpusta ostaja
2". Na tem delu je 970 mm ravne cevi. Ravni del cevi se konča z 90° kolenom za katerim je
nameščen sedežni ventil s katerim simuliramo porabo drugega namišljenega potrošnika.
Nadaljujemo z ravnim delom cevi dolžine 700 mm vse do izpusta, preko katerega vračamo
medij, v našem primeru vodo, v bazen iz katerega na sesalni strani, v istem nivoju črpamo
vodo.
Slika 4.9: Veja B, sedežni ventil za simulacijo potrošnikov
4.1.2 Pogonski del merilne proge
4.1.2.1 Vertikalna večstopenjska črpalka Grundfos CR4-100 z vgrajenim asinhronskim
motorjem
Ključni sestavni element merilne proge je vertikalna večstopenjska centrifugalna črpalka
Grundfos z oznako CR4-100, ki jo poganja standardni trifazni Grundfos-ov motor z oznako
MG, električne moči 2.2 kW.
Črpalke CR so vertikalne večstopenjske centrifugalne črpalke. Njihova linijska zasnova
omogoča instalacijo v cevnih sistemih, kjer sta sesalni in tlačni priključek v isti horizontalni
ravnini in istih dimenzij. Ta princip pomeni kompaktnejšo zasnovo črpalke in cevovodov.
Grundfos-ove črpalke CR so na voljo v različnih velikostih in z različnim številom stopenj s
katerimi zagotavljamo ustrezne pretoke in tlake. Črpalke CR so primerne za razne namene od
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 39 -
črpanja pitne vode, do črpanja kemikalij. Uporabljamo jih lahko v širokem spektru črpalnih
sistemov, kjer so za delovanje in materiale črpalk postavljene posebne zahteve.
Črpalke CR so sestavljene iz motorja in črpalne enote. Črpalna enota je sestavljena iz
optimirane hidravlike, različnih tipov priključitev, zunanjega oklepa in različnih drugih delov.
Črpalke CR uporabljamo v različnih materialih v skladu s črpano tekočino. Črpalka je
sestavljena iz osnove in glave črpalke. Sestav komor in zunanji oklep sta pritrjena med glavo
črpalke na osnovo s pomočjo stojnih vijakov. Osnova ima sesalni in tlačni priključek v istem
nivoju (linijsko). Črpalka je opremljena z mehanskim tesnilom osi kartušnega tipa, ki ne
potrebuje vzdrževanja [11].
Slika 4.10: Vertikalna večstopenjska centrifugalna črpalka Grundfos z oznako CR4-100 [11]
Slika 4.11: Območje delovanja črpalke CR4-100, umeščene v merilno progo [11]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 40 -
Na sliki 4.12 je prikazana večstopenjska črpalka, ki je bila uporabljena v diplomski nalogi.
Slika 4.12: Črpalka Grundfos CR4-100 z vgrajenim asinhronskim motorjem
Slika 4.13 prikazuje črpalko v prerezu z navedbo sestavnih delov.
Slika 4.13: Prikazuje črpalko v prerezu s sestavnimi deli (levo) in opisom na desni strani [11]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 41 -
4.1.2.2 Pogonski sistem
V poglavju 3.3.6.1, je podrobno opisan uporabljen frekvenčni pretvornik Hitachi SJ100
električne napetosti 400 V, ki krmili trifazni asinhronski motor proizvajalca Grundfos z
nazivno močjo 2,2 kW. Ker dodatnih podatkov o motorju ni bilo možno pridobiti (motor se
ne proizvaja več, na voljo so le novejše izvedenke tega motorja), smo lahko določili le
nekatere podatke na osnovi podanih vrednosti razvidnih iz napisne ploščice:
Priključitev motorja je izvedena v vezavi zvezda (Y-vezava) na medfazno napetost 400 V,
nazivna vrtilna hitrost rotorja pri priklopu na omrežno napetost 50 Hz je 2860 min-1
.
Z napisne ploščice elektromotorja lahko preberemo naslednje podatke:
Oznaka motorja MG 90 LA2-24F115
Moč motorja 2,2 kW
Priključna nazivna napetost D230 / Y400 V
Nazivni tok D8,85 / 5,1 A
Nazivna vrtilna hitrost 2860 min-1
Cos 0,86 / 0,79
Za potrebe določitve karakterističnih lastnosti motorja smo iz kataloških podatkov
proizvajalca[15] pridobil še naslednje vrednosti:
,
in
ter MN = 7,3 Nm.
S temi podatki lahko določimo še vrednosti ob zagonu:
IA = 35,7 A in MA = 21,17 Nm,
ter maksimalni možen moment
MK = 25,55 Nm.
Omenjeni podatki so potrebni za preverjanje priključnih sposobnosti omrežja (varovalka in
presek vodnikov). Ugotovili smo, da priključni vir ustreza potrebam priključitve, prav tako
pa tudi obstoječi vodniki.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 42 -
4.1.3 Merilni del merilne proge
4.1.3.1 Ultrazvočni merilnik pretoka [18]
Na merilni progi je nameščen ultrazvočni merilnik pretoka Fuji portaflow X, ki omogoča
enostavno merjenje pretokov v ceveh. Omogoča meritve, ki so neodvisne od debeline stene
cevi. Dobljene vrednosti lahko spremljamo na zaslonu same naprave, možna pa je tudi
uporaba tako napetostnega ali tokovnega izhoda za direktno spremljanje meritev. Sam sistem
je možno upravljati tudi s pomočjo serijske komunikacije. [18]
Slika 4.14: Ultrazvočni merilnik pretoka Fuji Portaflow X
Slika 4.14 Prikazuje namestitev ultrazvočnega merilnika, ki deluje na principu ultrazvoka z
dvema sondama, ki jih je potrebno namestiti v določeni razdalji glede na premer cevi, skozi
katero merimo pretok. Slika 4.15 prikazuje shematsko sliko s sestavnimi deli sistema (merilni
sondi nameščeni na cev, povezovalnih vodnikov, centralne merilne naprave s
prikazovalnikom ter tipkovnico in priključnimi mesti za povezavo z računalnikom).
Pretočni časovni ultrazvočni merilniki so zelo primerni za relativno čiste tekočine z nizkim
oziroma zmernim zračenjem. Ti merilniki delujejo na podlagi primerjave časa za ultrazvočni
signal, ki potuje s tokom (navzdol), proti času za ultrazvočni signal za potovanje proti toku
(navzgor). Razlika med tema tranzitnima časoma je sorazmerna pretoku.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 43 -
Tovrstni merilniki so nameščeni na zunanji strani cevi, kar zagotavlja prednosti pred bolj
tradicionalnimi in invazivnimi instrumenti za merjenje pretoka, kot so vrtinčni merilniki in
merilniki turbinskega pretoka [18].
Slika 4.15: Shematski prikaz segmentov ultrazvočnega merilnika pretoka Fuji Portaflow [18]
Zelo pomemben je izbor pritrdilnega mesta. Detektor montaže lokacije omogoča pravilno
namestitev merilnih sond in s tem zagotovitev pravilnosti rezultatov. Ostali podatki so podani
v prilogi 4, diplomske naloge.
4.1.3.2 Merilniki tlaka uporabljeni v merilni progi
Na merilni progi so bili v preizkuševališču z namenom meritve dejanskih rezultatov,
uporabljeni naslednji merilniki tlaka, ki so prikazani v nadaljevanju.
Na spodnji sliki 4.16 je podan shematski prikaz merilnika tlaka in sestavnih delov.
Slika 4.16: Shema merilnika tlaka
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 44 -
Na sesalni strani merilne proge je bil nameščen podtlačni merilnik tlaka z merilnim območjem
od -1 do 0 bar, ki je prikazan na sliki 4.17.
Slika 4.17: Podtlačni merilnik tlaka od -1 bar do 0 bar
Za črpalko na tlačni strani merilne proge je bil nameščen merilnik tlaka z merilnim območjem
od 0 do 10 bar, ki je prikazan na sliki 4.18.
Slika 4.18: Nadtlačni merilnik tlaka od 0 bar do 10 bar
Za črpalko na tlačni strani merilne proge je bil nameščen merilnik tlaka z merilnim območjem
od 0 do 25 bar, ki je prikazan na sliki 4.19.
Slika 4.19: Nadtlačni merilnik tlaka od 0 bar do 25 bar
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 45 -
Zaradi primerjave dobljenih rezultatov tlačnih meritev smo preverili verodostojnost meritev
še z namestitvijo elektronskega senzorja za merjenja tlaka, ki je prikazan na sliki 4.20.
Slika 4.20: Nadtlačni elektronski senzor od 0 bar do 40 bar
4.1.3.3 Laserski merilnik vrtilne hitrosti
Spodnji sliki prikazujeta izvedbo meritve vrtilne hitrosti. Za meritev je bil uporabljen ročni
laserski merilnik vrtilne hitrosti. Ročni laserski merilnik za določanje vrtilne hitrosti uporablja
odsevnik na vrtečem se delu gredi. Med posameznimi odboji samega signala se meri čas, ki
ga elektronika nato pretvori v želeno obliko, (prikazana je vrtilna hitrost, obodna hitrost ali
čas med dvema prehodoma). Rezultati meritev so namenjeni kontroli vrtilne hitrosti in
preverjanju stabilnosti vrtilne hitrosti, zlasti pri izvajanju statičnih meritev.
Slika 4.21:Odsevnik na gredi motorja in laserski merilnik vrtilne hitrosti
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 46 -
5 MERITVE
Po vzpostavitvi merilne proge smo preverili delovanje vseh členov in naprav, ki so vgrajeni
ali nameščeni na merilni progi. Na podlagi brezhibnega delovanja so bili podani pogoji za
začetek meritev, ki smo jih izvajali na merilni progi. Pri izvedbi meritev smo se odločili za
statične in dinamične meritve.
Slika 5.1: Sliki prikazujeta dejansko merilno progo
5.1 Izvedba statičnih meritev
Statične meritve so potekale tako, da je bila nastavljena konstantna vrtilna hitrost, pri kateri
smo spreminjali odprtje ventila v veji A. Vrednosti smo odčitavali iz manometra na sesalni
veji in manometra za črpalko na tlačni strani, ter pretok. Da bi čim bolje zajeli možna
obratovalna stanja smo spreminjali vrtilno hitrost od minimalne 1214 min-1
(20 Hz) do
vrednosti 3568 min-1
(60 Hz). Minimalno vrtilno hitrost smo izbrali na osnovi priporočil
proizvajalcev elektromotorjev, saj pri nižjih vrtilnih hitrostih ni več zadostnega hlajenja z
vgrajenim ventilatorjem. S tem je bilo določeno tudi polje obratovalnih karakteristik in
delovne točke za dinamične preizkuse.
Preglednica 1, prikazuje izmerjene vrednosti pri vrtilni hitrosti 60 Hz, medtem, ko so ostale
meritve podane v prilogah.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 47 -
Preglednica 1: Rezultati statičnih meritev pri vrtilni hitrosti 60 Hz
Vrtilna hitrost: 60Hz 3568 min-1
list 15
Poz -Ps P1 dP Q Q p3
bar bar bar l/sek mA bar
0,03 0,03 13,2 13,23 0,2766 6,83 13,2
0,06 0,08 12,8 12,88 0,5488 9,46 12,6
0,09 0,18 12,2 12,38 0,7898 11,61 11,9
0,12 0,4 11,4 11,8 1,044 13,92 11
0,15 0,5 10,8 11,3 1,182 15,11 10,1
0,18 0,6 9,6 10,2 1,378 16,81 8,6
0,21 0,6 9,2 9,8 1,423 17,09 8,3
0,24 0,6 9 9,6 1,443 17,57 8,1
0,27 0,6 9,2 9,8 1,43 17,21 8,2
0,30 0,65 9,1 9,75 1,459 18,2 8,2
0,33 0,75 8,6 9,35 1,559 19,1 7,5
1,00 0,75 7,8 8,55 1,617 19,32 6,5
1,03 0,75 5 5,75 1,646 19,49 4,7
1,06 0,75 4,4 5,15 1,657 19,65 3,1
1,09 0,75 4 4,75 1,655 19,62 2,5
1,12 0,75 3,6 4,35 1,648 19,59 2,2
1,15 0,75 3,3 4,05 1,637 19,04 2
1,18 0,75 3,1 3,85 1,644 19,38 1,8
1,21 0,75 3 3,75 1,628 19,29 1,7
Diagram 5: Prikaz dobljenih rezultatov pri različnih vrtilnih frekvencah, tlakih in pretokih
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8
Dp [bar]
Q [l/s]
Q - Dp
1
2
3
4
5
6
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 48 -
Pri tem je krivulja 1 izmerjena pri vrtilni hitrosti 1214 min-1
, 2 izmerjena pri vrtilni hitrosti
1812 min-1
, 3 izmerjena pri vrtilni hitrosti 2418 min-1
, 4 izmerjena pri vrtilni hitrosti 2860
min-1
, 5 izmerjena pri vrtilni hitrosti 3102 min-1
, 6 izmerjena pri vrtilni hitrosti 3568 min-1
.
Pri sami predstavitvi krivulj na diagramu 5, ni uporabljena nobena izmed metod glajenja, tako
da so vidna določena odstopanja, ki so posledica tako odčitavanja, kakor tudi obrabljenosti
črpalke.
5.2 Izvedba dinamičnih meritev
Namen preizkusov je bilo ugotoviti možnosti, ki jih daje povezava obstoječega črpalnega
sistema in frekvenčnega regulatorja. Pri izbranem bremenu so bili najprej opravljeni preizkusi
vklopa črpalke na različne vrtilne hitrosti, ki bodo v nadaljevanju prikazani z nastavljenimi
frekvencami podanimi v preglednici 2.
Preglednica 2: Izmerjene vrtilne hitrosti in nastavljene frekvence
Frekvenca
[Hz]
Izmerjena vrtilna
hitrost [min-1
]
20 1212
30 1818
40 2420
50 2860
Frekvenčni pretvornik omogoča predhodno nastavitev želenih frekvenc (skupno 15 različnih
vrednosti). Željene vrednosti lahko nastavljamo z uporabo digitalnih vhodov. Preklopi so bili
izvedeni ročno s pomočjo štirih preklopnih stikal, zaradi preverjanja možnosti uporabe stikal
(tlačnih nivojev), ki predstavljajo najcenejšo obliko krmiljenja.
Eksperimenti so razdeljeni v tri sklope:
- Sklop I: Skok želene vrednosti vrtilne hitrosti (vklop – izklop).
- Sklop II: Skok želene vrednosti iz ene na drugo vrtilno hitrost in nazaj.
- Sklop III: Obratovanje na določenem režimu, vklop motnje in nato preklop vrtilne
hitrosti.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 49 -
Za izvedbo preizkusa je bilo potrebno nastaviti tudi določene parametre frekvenčnega
pretvornika. Tako je bilo za izvedbo skoka potrebno uporabiti funkcijo mehkega zagona v
trajanju 0,5 sekunde. S tem je bila preprečena prevelika vrednost zagonskega toka ob startu.
5.2.1 Sklop preizkusov I
Opravljeno je bilo večje število preizkusov zaradi preverjanja ponovljivosti, prikazani bodo
zgolj preizkusi, skokov na vrtilne hitrosti, ki smo jih uporabili za teste III sklopa. Slika 5.2
prikazuje skok vrtilne hitrosti na referenčno frekvenco 50 Hz. Prikazan je potek tlaka na
merilnem mestu 2 (pri potrošniku), ki se vzpostavi praktično nemudoma po vklopu samega
sistema (krivulja modre barve). Potek pretoka prikazuje spodnja krivulja (zelene barve) kjer
se lahko zazna pomankljivosti izbranega merilnika pretoka pa tudi same izvedbe
preizkuševališča. Časovni zamik nastane predvsem zaradi slabe odzivnosti merilnika pretoka
in posledice, da se je pred vsakim preizkusom cevni sistem izpraznil.
Slika 5.2: Potek tlaka in pretoka pri skoku vrtilne hitrosti iz mirovanja 0 Hz na 50 Hz
0 4 8 12 16
čas [s]
0
0,8
1,6
2,4
3,2
4
p [b
ar]
0
0,2
0,4
0,6
0,8
Q [
l/s
]
Skok 0-50Hz
Tlak
Pretok
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 50 -
Slika 5.3: Potek tlaka in pretoka pri skoku vrtilne hitrosti iz mirovanja 0 Hz na 40 Hz
Slika 5.4: Potek tlaka in pretoka pri skoku vrtilna hitrosti iz mirovanja 0 Hz na 30 Hz
Slika 5.5:Potek tlaka in pretoka pri skoku vrtilne hitrosti iz mirovanja 0 Hz na 20 Hz
0 5 10 15 20
čas [s]
0
0,8
1,6
2,4
3,2
4
p [
bar]
0
0,2
0,4
0,6
0,8
Q [
l/s]
Skok 0-40Hz
Tlak
Pretok
0 4 8 12 16
čas [s]
0
0,8
1,6
2,4
3,2
4
p [
bar]
0
0,2
0,4
0,6
0,8
Q [
l/s]
Skok 0-30Hz
Tlak
Pretok
0 6 12 18 24
čas [s]
0
0,8
1,6
2,4
3,2
4
p [
bar]
0
0,2
0,4
0,6
0,8
Q [
l/s
]
0-20Hz
Tlak
Pretok
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 51 -
Opravljeni so bili tudi testi pri nižjih vrtilnih hitrostih. Zaradi slabšega hlajenja samega
elektromotorja (prisilno hlajenje ni bilo uporabljeno), glede na izkušnje proizvajalca
predvsem pri trajnih obremenitvah le te v nadaljevanju niso bile uporabljene. Pri vrtilnih
hitrostih višjih od 50 Hz pa se je znatno povečal tlak, ki bi presegal vrednosti, ki jih običajno
dopuščamo v vodovodnih sistemih, zato smo se omejili predvsem na obratovanja znotraj
frekvenčnega področja 20-50 Hz.
5.2.2 Sklop preizkusov II
Pri drugem sklopu preizkusov so bili obravnavani predvsem skoki vodilne veličine vrtilne
hitrosti iz nižje vrednosti na višjo in nazaj. Tovrstni poizkusi pokažejo predvsem možnost
reagiranja celotnega sistema pri spremembi želene vrednosti vrtilne hitrosti (sočasno to vpliva
tudi na pretok in tlak) ob uporabi konstantnega bremena (potrošnika).
Slika 5.6: Potek tlaka in pretoka pri skoku vrtilne hitrosti iz 20 Hz na 40 Hz in nazaj na 20 Hz
Slika 5.7: Potek tlaka in pretoka pri skoku vrtilne hitrosti iz 20 Hz na 50 Hz in nazaj na 20 Hz
0 7 14 21 28 35
čas [s]
0
0,8
1,6
2,4
3,2
4
p [
bar]
0
0,2
0,4
0,6
0,8
Q [
l/s]
Skok ref. 20-40-20Hz
Tlak
Pretok
0 6 12 18 24 30
čas [s]
0
0,9
1,8
2,7
3,6
4,5
-0,9
p [
bar]
0
0,07
0,14
0,21
0,28
0,35
-0,07
Q [
l/s
]
Skok ref. 20-50-20 Hz
Tlak
Pretok
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 52 -
Sliki 5.6 in 5.7 prikazujeta potek tlaka pri izbrani razliki vodilne veličine. Izkazalo se je, da so
skoki v območju med temi vrtilnimi hitrostmi za izbran delovni režim, najugodnejši.
5.2.3 Sklop preizkusov III
V zadnjem sklopu je bila preizkušena tudi možnost delovanja pri spremembi velikosti
potrošnika. Kot osnova je bila vzeta predpostavka, da se tlak v omrežju omeji na maksimalno
3 bare, ter da se dodatno na sistemu vključi dodatni potrošnik s povečanjem pretoka za
približno 20%. S tem se približamo možnim realnim primerom v oskrbi z vodo, v stavbah z
več nadstropji, kjer tlak predstavlja pomemben dejavnik pri samem obratovanju.
Slika 5.8: Potek vklopa motnje in prestavljanja vrtilne hitrosti
( 1-Stanje vklopa motnje/vrtilne hitrosti 50 Hz, 0-stanje izklopa motnje /vrtilna hitrost 30 Hz)
Slika 5.9: Potek tlaka in pretoka pri vklopu motnje in preklapljanju vrtilne hitrosti
0 7 14 21 28
čas [s]
vrtljaji
motnja1
1
0
0
0 7 14 21 28
čas [s]
0
0,8
1,6
2,4
3,2
4
p [
bar]
0
0,2
0,4
0,6
0,8
Q [
l/s]
Skok 30-50Hz
Tlak
Pretok
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 53 -
Sam preizkus je izveden tako, da najprej na stalnem potrošniku dosežemo tlak 1,6 bar, ki
predstavlja hkrati tudi zadostno rezervo za nemoteno oskrbo tega potrošnika. Nato vklopimo
dodaten potrošnik (dodatno odprtje ventila - modra krivulja na sliki 5.8 preide iz stanja 0 v
stanje 1 - vklop potrošnika), ki posledično povzroči padec tlaka na 0,8 bar. Z preklopom na
višjo vrtilno hitrost (50 Hz - rdeča krivulja na sliki 5.8 preide iz stanja 0 v 1) se poveča tlak in
vzpostavi tudi ustrezen pretok zadosten za oba potrošnika. Sledi preklop na nižjo vrtilno
hitrost ( rdeča krivulja na sliki 5.8 preide iz stanja 1 v stanje 0) in nato še odklop dodatnega
potrošnika (modra krivulja na sliki 5.8 preide iz stanja 1 v stanje 0). Sam potek prikazujeta
sliki 5.8 (prikaz poteka vklopa in izklopa dodatnega potrošnika, ter preklopov vrtilne hitrosti
iz pozicije 1, ki predstavlja vrtilno hitrost 30 Hz v pozicijo 2, ki predstavlja vrtilno hitrost 50
Hz in nazaj) in slika 5.9, ki prikazuje potek tlaka in pretoka.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 54 -
6 KOMENTAR IN ZAKLJUČEK
V praksi se pogosto srečujemo z različnimi obratovalnimi pogoji vodovodnih sistemov, ki jih
narekujejo oziroma zahtevajo potrošniki. Sistemi se morajo navedenim obratovalnim pogojem
ustrezno prilagoditi, kar je bil tudi razlog za izvedbo raziskave, saj je ne glede na
spreminjajoče se zahteve potrošnikov, potrebno nenehno zagotavljati nemoteno oskrbo. Iz
navedenega razloga je pomembno poznati podatke o samem cevovodu in predvsem vrednosti
maksimalnih dopustnih tlakov v omrežju.
Dejstvo, da je asinhronski motor zaradi razmerja sposobnosti, cene in nizkih vzdrževalnih
stroškov postal osnovni pogonski stroj črpalnih sistemov, lahko to izkoristimo za regulacijo in
zagotovitev obratovanja v optimalnem režimu tudi pri spremenljivih pogojih.
Spremembe razmer na strani potrošnikov proizvajalci rešujejo s poseganjem v področje
nastavljivih črpalnih sistemih (Grundfos), z uporabo frekvenčno reguliranih pogonov.
Frekvenčni pretvornik namreč omogoča večje število pristopov k nastavljanju vrtilne hitrosti,
ki so lahko zvezna ali diskretna. Slednje smo v okviru dela uporabili z namenom preveriti
zmožnost sistema za delovanje z daljinskim krmiljenjem, ki bi ga lahko izvajala dodatno
vgrajena tlačna tipala ali nadzornik sistema.
V merilno progo je bila umeščena vertikalna večstopenjska črpalka z asinhronskim
elektromotorjem moči 2,2 kW, krmiljenim s frekvenčnim pretvornikom. Pri sami izvedbi
eksperimentov smo se omejili zgolj na preizkuse vodilnega in motilnega obnašanja z uporabo
krmilnih (uporaba stikal) pristopov, tako da bi bilo v nadaljevanju potrebno še preučiti tudi
delovanje z uporabo zaprto zančne regulacije.
V okviru raziskave je bila izdelana merilna progo s komponentami, ki so bile na voljo. Pri
izvedbi meritev je bilo ugotovljeno, da je samo preizkuševališče izvedeno z določenimi
pomanjkljivostmi, predvsem zaradi neusklajenosti velikosti cevnega sistema z
karakteristikami črpalke. Slednje bi bilo možno izboljšati z razširitvijo črpalnega dela z
dodatno črpalko, ki je še na voljo. Poizkusili smo določiti tudi parametre, ki so ključnega
pomena zlasti za snovanje zaprto-zančnih sistemov, vendar je za tovrstno analizo potrebno
bistveno več dodatnih meritev.
Z diplomsko nalogo je bilo pokazano, da mora upravljavec in skrbnik objektov zelo dobro
poznati sodobne sisteme, ki omogočajo stalno oskrbo ter v celoti razumeti njihove
obratovalne karakteristike. S sočasno uporabo novih principov varčevanja na odjemnih mestih
to lahko zagotovi tako prihranek energije, kot tudi vode, ki je vse bolj pomembna dobrina.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 55 -
7 VIRI IN LITERATURA
[1] Elektromehanski elementi in sistemi; VS. Velenje
[2] Kraut Bojan. Strojniški priročnik, 8. slovenska izdaja. Tehnička knjiga: Zagreb, 1987
[3] Mitja Kastrevc. Doktorska disertacija: Analiza dinamike pogonske zveze asinhronega
elektromotorja in hidravlične zobniške črpalke. UM, FS, Maribor 2003
[4] Mitja Kastrevc. Matematično modeliranje obnašanja hitrostno nastavljivih črpalk,
Ventil, ISSN 1318-7279 , štev. 3, september 2002, Ljubljana
[5] Povzeto iz Japonske, Electric Machinenry Industry družbe (Jemis-032)
[6] Rudi Pušenjak. Elektrooprema in pogoni; Založništvo Fakultete za strojništvo, Univerze
v Mariboru 1997
[7] Svetovni splet (WWW). http://gauss.fe.uni-lj.si/les/emp; Laboratorij za električne stroje
[8] Svetovni splet (WWW). http://sl.wikipedia.org/wiki/Elektromotor
[9] Svetovni splet (WWW). http://www.goto-avtomation.eu
[10] Svetovni splet (WWW). http://www.hitachi-ds.com.
[11] Svetovni splet (WWW). http://www. net.grundfos.com
[12] Svetovni splet (WWW). http://www.tiba.si
[13] Svetovni splet (WWW). http://www.ro.feri.uni-mb.si/projekti/rlv/semi_rlv.pdf
[14] Svetovni splet (WWW). http://www.grundfos.com/grundfos motors in
www.grundfos.com/grundfos motor book
[15] Svetovni splet (WWW). http:// www. si.grundfos.com/
[16] Svetovni splet (WWW). http://www.svet-el.si/revija
[17] Svetovni splet (WWW). http://www.docsfiles.com/hitachi-SJ100-series-drives-
introduction
[18] Svetovni splet (WWW). http://www.instrumart.com/products/3414/fuji-portaflow-x-
ultrasonic-flow-meter
[19] Škerget Leopold. Notranji tokovi tekočine v vodnikih V: Škerget L. Mehanika tekočin,
prva izdaja: Univerza v Mariboru Tehniška Fakulteta in Univerza v Ljubljani Fakulteta
za strojništvo, 1994.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 56 -
8 PRILOGE
Priloga 1: Preračun linijskih in lokalnih izgub merilne proge
V spodnji preglednici so zajete karakteristike segmentov merilne proge in vstavljene v
enačbe, ki so osnova za preračun linijskih in lokalnih oziroma skupnih tlačnih izgub na
sesalni in na tlačni strani obravnavane merilne proge za en obratovalni režim. V nadaljevanju
bo podan izračun iz katerega je razvidno, da so tlačne izgube znotraj zmožnosti obratovalnega
področja črpalnega sistema.
Preglednica 3: Izračun linijskih in lokalnih izgub merilne proge v Excel-u
Q
SESALNA STRAN
= 0,5 v1= 0,5 v2= 0,7
x1 x2 l [mm] d [mm]
3,9 1,4 1685 27,2 Δp,ses= 4534,283 ρ= 1000
TLAČNA STRAN
T-člen T-člen T-člen
= 0,5 = 0,7 0° = 0,5 90° = 0,7 90°
l [mm] d [mm] x3 x4 l [mm] d [mm] x5 x6 x7 x8 x9 l [mm] d [mm] x10 x11 l [mm] d [mm] x12 x13 Δp,tla,A= 20270,3469
150 27,2 1,13 0,9 2080 53 0,5 0,17 0,9 1,13 3 2320 27,2 1,13 1,4 1670 53 1,4 3 Δp,tla,B= 14973,3354
ΔpS,A 24804,6300
ΔpS,B 19507,6185
Koeficient
nepovratni
ventil
T člen
(koleno)
ravni del
Opis elementa
Koeficient
ravni del koleno
90°
razširite
v
27,25
ravni delOpis elementa
ravni delventil
VEJA B
merilna
ura
koleno
90°ventil
ravni del koleno
90°
VEJA A
zožitev
5327,2
Spodnja shema merilne proge prikazuje oštevilčene sestavne člene merilne proge zaradi
katerih prihaja do lokalnih izgub, ki so označene z grško črko in kjer predstavlja
. Podatki za vrednost posameznih , so vzeti iz vira [2] in
[19].
Slika 8.1:Oštevilčen prikaz sestavnih členov merilne proge, ki povzročajo lokalne izgube
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 57 -
Za izračun skupnih tlačnih izgub merilne proge so bile uporabljene naslednje enačbe:
Kjer je gostota črpalnega medija (v našem primeru vode), težnostni pospešek in H
maksimalna črpalna višina, ki jo lahko premaguje črpalka, umeščena v merilno progo in
izhaja iz dušilne krivulje, ki jo poda proizvajalec.
Skupne izgube:
Enačba za izračun skupnih izgub na sesalni in tlačni strani (14),
Sesalna stran (15)
Tlačna stran, veja A(16)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 58 -
Tlačna stran, veja B
veji B je bil za obravnavan primer ventil popolnoma zaprt, zato skozi vejo B ni bilo
pretoka.
Skupne izgube, veja A
Dobljeni rezultati skupnih izgub cevnega sistema, ki je bil zgrajen za naše raziskave, nam
predstavlja 0,248 bar, kar je zanemarljivo glede na zmogljivost črpalke, ki je vgrajena v
merilno progo in lahko pri minimalnem pretoku dosega maksimalni tlak 16 bar.
Priloga 2: Enačba za izračun potrebne pogonske moči motorja črpalke (18) [6].
Iz primerjalnih izračunov in dobljenega rezultata je razvidno, da črpalka z vgrajenim
motorjem 2,2 kW zlahka premaguje tlačne padce v sistemu.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 59 -
Priloga 3. Dimenzije črpalke in električni podatki za motor CR4-100, ki je vgrajen v merilni
progi diplomske naloge.
Slika 8.2: Skicirane mere črpalke in električni podatki [14]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 60 -
Priloga 4. Izbira pravilne lokacije, namestitve detektorja ultrazvočnega merilnika pretoka
Na sliki 8.3 so prikazane izbire pravilne lokacije namestitve ultrazvočnega merilnika na
vodovodno cev, ki smo ga uporabili v diplomski nalogi in je opisan v poglavju 4.1.3.1
Slika 8.3: Izbira lokacije namestitve merilne letve (detektorja) ultrazvočnega merilnika [18]
Pomembna navodila, ki jih moramo upoštevati pri sami namestitvi oz. izvedbi meritev:
(1) Če je ravni del cevi 10D ali več na dovodni strani in 5D ali več na delovni strani.
(2) Dejavniki, ki ovirajo pretok, kot so črpalke in ventili morajo biti na dovodni strani
oddaljeni približno 30D.
(3) Cevi in ventili morajo bit vedno napolnjeni s tekočino. Zračni mehurčki in tujki v ceveh
ne smejo biti prisotni v tekočini [18].
(4) Za vzdrževanje detektorja, kjer je ta pritrjen moramo imeti okoli cevi vedno dovolj
prostora, kar je prikazano na sliki 8.4.
Opomba 1.) Zagotoviti je potrebno dovolj prostora, da omogoča osebi prostor na obeh straneh
cevi. Opomba 2.) D označuje notranji premer cevi.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 61 -
Slika 8.4: Pravilna namestitev detektorja ultrazvočnega merilnika [18]
5) Na vodoravnih ceveh, je potrebno namestiti detektor v okviru ± 45 ° od vodoravne ravnine.
Za vertikalne cevi, lahko detektor pritrdimo na katerem koli mestu na zunanjem obodu.
Slika 8.5: Območje namestitve detektorja ultrazvočnega merilnika [18]
(6) Detektorja ne smemo pritrjevati ob delu deformacije, prirobnici ali privarjeni cevi. Slika
8.6 prikazuje pravilno pritrditev.
Slika 8.6:Prikaz pravilne namestitve detektorja ultrazvočnega merilnika [18]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 62 -
Priloga 5: Rezultati statičnih meritev
Spodaj prikazane preglednice so rezultati statičnih meritev pri različnih frekvencah, ki so
podrobneje opisane v poglavju 5.1 Izvedba statičnih meritev.
Preglednica 4: Rezultati meritev pri vrtilni hitrosti 20 Hz
Vrtilna hitrost: 20Hz 1214min-1
list 13
Poz -Ps P1 dP Q Q
bar bar bar l/sek mA
0,03 0 1,5 1,5 0 4,63
0,06 0 1,5 1,5 0 4,65
0,09 0 1,4 1,4 0 5,35
0,12 0 1,35 1,35 0,07363 6,2
0,15 0,05 1,2 1,25 0,1963 8,02
0,18 0,06 1,1 1,16 0,3547 8,63
0,21 0,07 1,1 1,17 0,4283 9,17
0,24 0,08 1 1,08 0,5243 8,76
0,27 0,08 1 1,08 0,5064 8,84
0,30 0,08 1 1,08 0,5288 9,25
0,33 0,09 1 1,09 0,5265 9,44
1,00 0,1 0,9 1 0,5667 9,89
1,03 0,12 0,8 0,92 0,6135 10,15
1,06 0,13 0,8 0,93 0,6359 10,65
1,09 0,13 0,7 0,83 0,6983 10,75
1,12 0,13 0,7 0,83 0,705 10,76
1,15 0,05 0,7 0,75 0,7072 10,92
1,18 0,15 0,6 0,75 0,705 10,94
1,21 0,15 0,6 0,75 0,7117 10,94
1,24 0,15 0,6 0,75 0,7363 10,94
Preglednica 5: Rezultati meritev pri vrtilni hitrosti 30 Hz
Vrtilna hitrost: 30Hz 1814 min-1
list 12
Poz -Ps P1 dP Q Q p3
bar bar bar l/sek mA bar
0,03 0 3,4 3,4 0 4,48 3,5
0,06 0 3,3 3,3 0,0557 5,1 3,3
0,09 0,02 3,2 3,22 0,2097 6,08 3,2
0,12 0,05 3 3,05 0,3569 8,13 3
0,15 0,1 2,8 2,9 0,5845 9,69 2,7
0,18 0,13 2,6 2,73 0,6693 10,47 2,5
0,21 0,15 2,5 2,65 0,7251 11,02 2,3
0,24 0,18 2,5 2,68 0,7519 11,1 2,2
0,27 0,18 2,4 2,58 0,763 11,22 2,15
0,30 0,18 2,4 2,58 0,7853 11,4 2,1
0,33 0,2 2,3 2,5 0,8054 11,69 2
1,00 0,23 2,2 2,43 0,8859 12,99 1,8
1,03 0,28 2 2,28 0,9594 14,25 1,6
1,06 0,3 1,9 2,2 1,021 13,75 1,4
1,09 0,33 1,7 2,03 1,035 13,78 1,2
1,12 0,35 1,6 1,95 1,075 14,79 1
1,15 0,35 1,6 1,95 1,104 14,13 0,95
1,18 0,35 1,5 1,85 1,112 14,77 0,9
1,21 0,38 1,4 1,78 1,142 14,8 0,8
1,24 0,38 1,4 1,78 1,113 15,09 0,8
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 63 -
Preglednica 6: Rezultati meritev pri vrtilni hitrosti 40 Hz
Vrtilna hitrost: 40Hz 2418 min-1
list 8
Poz -Ps P1 dP Q Q p3
bar bar bar l/sek mA bar
0,03 0 6 6 0,0357 4,81 6,1
0,06 0,02 5,9 5,92 0,1204 5,37 5,9
0,09 0,05 5,8 5,85 0,2789 6,62 5,8
0,12 0,08 5,5 5,58 0,4774 8,57 5,5
0,15 0,08 5,5 5,58 0,531 9,09 5,4
0,18 0,1 5,4 5,5 0,6158 9,82 5,2
0,21 0,13 5,2 5,33 0,6649 10,31 5
0,24 0,18 5 5,18 0,7764 11,46 4,8
0,27 0,2 5 5,2 0,8344 11,86 4,6
0,30 0,23 4,8 5,03 0,8902 12,6 4,4
0,33 0,3 4,5 4,8 1,019 13,48 4
1,00 0,35 4,2 4,55 1,142 14,8 3,5
1,03 0,43 3,8 4,23 1,233 15,78 3
1,06 0,5 3,6 4,1 1,311 16,29 2,7
1,09 0,53 3,3 3,83 1,392 16,98 2,3
1,12 0,55 3,1 3,65 1,436 17,38 2,1
1,15 0,6 3 3,6 1,439 17,56 1,9
1,18 0,6 2,9 3,5 1,465 17,72 1,8
1,21 0,6 2,8 3,4 1,502 17,76 1,7
1,24 0,6 2,8 3,4 1,48 17,9 1,7
Preglednica 7: Rezultati meritev pri vrtilni hitrosti 50 Hz
Vrtilna hitrost: 50Hz 2860 min-1list 2
Poz -Ps P1 dP Q Q p3
bar bar bar l/sek mA bar
0,03 0 9,4 9,4 0,0557 4,79 9,5
0,06 0,02 9,35 9,37 0,1249 5,34 9,45
0,09 0,04 9,3 9,34 0,2186 5,94 9,35
0,12 0,07 9,2 9,27 0,348 7,22 9,15
0,15 0,09 8,9 8,99 0,4797 8,56 8,9
0,18 0,12 8,7 8,82 0,5957 9,52 8,65
0,21 0,15 8,6 8,75 0,6827 10,09 8,4
0,24 0,22 8,3 8,52 0,8456 11,52 8
0,27 0,27 8 8,27 0,917 12,29 7,6
0,30 0,35 7,6 7,95 1,035 13,28 7,1
0,33 0,45 7,2 7,65 1,189 14,57 6,4
1,00 0,53 6,7 7,23 1,352 16,12 5,7
1,03 0,65 6,1 6,75 1,463 17,13 4,9
1,06 0,73 5,4 6,13 1,559 17,84 4,1
1,09 0,75 5 5,75 1,57 18,19 3,6
1,12 0,76 4,4 5,16 1,584 18,22 3
1,15 0,77 4 4,77 1,593 18,33 2,7
1,18 0,77 3,9 4,67 1,602 18,45 2,5
1,21 0,77 3,7 4,47 1,59 18,8 2,3
1,24 0,77 3,7 4,47 1,595 18,58 2,3
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 64 -
Preglednica 8: Rezultati meritev pri vrtilni hitrosti 55 Hz
Vrtilna hitrost: 55Hz 3313 min-1
list 4
Poz -Ps P1 dP Q Q p3
bar bar bar l/sek mA bar
0,03 0,02 11,4 11,42 0,09841 5,24 11,5
0,06 0,05 11,2 11,25 0,2186 6,45 11,25
0,09 0,07 11,1 11,17 0,3146 7,26 11,1
0,12 0,09 10,9 10,99 0,4752 8,99 10,8
0,15 0,15 10,6 10,75 0,6448 10,13 10,4
0,18 0,2 10,3 10,5 0,7586 11,12 10
0,21 0,25 10 10,25 0,8523 12,14 9,6
0,24 0,32 9,6 9,92 1,033 13,88 9,1
0,27 0,38 9,2 9,58 1,106 14,56 8,7
0,30 0,45 8,8 9,25 1,202 15,36 8,2
0,33 0,55 8,4 8,95 1,327 16,14 7,5
1,00 0,65 7,8 8,45 1,459 107,36 6,8
1,03 0,73 7 7,73 1,57 18,63 5,5
1,06 0,75 5,7 6,45 1,599 18,73 4,2
1,09 0,75 4,6 5,35 1,602 19,25 3,3
1,12 0,76 4 4,76 1,593 18,6 2,7
1,15 0,76 3,8 4,56 1,588 19,21 2,4
1,18 0,76 3,6 4,36 1,584 18,83 2,3
1,21 0,76 3,5 4,26 1,597 17,57 2,2
1,24 0,76 3,4 4,16 1,575 17,68 2,1
Preglednica 9: Rezultati meritev pri vrtilni hitrosti 60 Hz
Vrtilna hitrost: 60Hz 3568 min-1
list 15
Poz -Ps P1 dP Q Q p3
bar bar bar l/sek mA bar
0,03 0,03 13,2 13,23 0,2766 6,83 13,2
0,06 0,08 12,8 12,88 0,5488 9,46 12,6
0,09 0,18 12,2 12,38 0,7898 11,61 11,9
0,12 0,4 11,4 11,8 1,044 13,92 11
0,15 0,5 10,8 11,3 1,182 15,11 10,1
0,18 0,6 9,6 10,2 1,378 16,81 8,6
0,21 0,6 9,2 9,8 1,423 17,09 8,3
0,24 0,6 9 9,6 1,443 17,57 8,1
0,27 0,6 9,2 9,8 1,43 17,21 8,2
0,30 0,65 9,1 9,75 1,459 18,2 8,2
0,33 0,75 8,6 9,35 1,559 19,1 7,5
1,00 0,75 7,8 8,55 1,617 19,32 6,5
1,03 0,75 5 5,75 1,646 19,49 4,7
1,06 0,75 4,4 5,15 1,657 19,65 3,1
1,09 0,75 4 4,75 1,655 19,62 2,5
1,12 0,75 3,6 4,35 1,648 19,59 2,2
1,15 0,75 3,3 4,05 1,637 19,04 2
1,18 0,75 3,1 3,85 1,644 19,38 1,8
1,21 0,75 3 3,75 1,628 19,29 1,7
top related